Thiết kế mô hình giảng dạy hệ thống truyền dữ liệu qua mạng can
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (25.88 MB, 117 trang )
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Luận Văn Thạc Sĩ
TĨM TẮT
Ngày nay một hệ thống điều khiển trên ơ tô ngày càng phức tạp. Mạng CAN
(Controller Area Network), tạm dịch là “Mạng ECU” hay gọi tắt là mạng CAN ra
đời.Tuy vậy, hệ thống truyền dữ liệu qua mạng CAN trên ơ tơ là một hệ thống cịn
khá mới mẻ đối với học viên, sinh viên và những kỹ thuật viên sửa chữa ơ tơ. Chưa
có mơ hình trực quan để người học có thể hình dung, học tập.Do vậy việc Thiết kế
mơ hình giảng dạy hệ thống truyền dữ liệu qua mạng CAN là đề tài cần thiết giúp
người học tiếp cận với các công nghệ mới, phục vụ cho việc chẩn đoán sửa chữa
các hệ thống điện trên xe.Đề tài đã đạt được một số kết quả như sau:
- Đã nghiên cứu cơ sở lý thuyết của hệ thống truyền dữ liệu CAN trên ô tô.
- Thiết kế và chế tạo thành công hộp ECU của hệ thống truyền dữ liệu CAN
trên ô tô. Các ECU giao tiếp với nhau bằng giao tiếp CAN.
- Mơ hình mơ phỏng hệ thống truyền dữ liệu CAN trên ô tô được chế tạo từ
đề tài có thể dùng để giảng dạy và nghiên cứu về hệ thống truyền dữ liệu CAN trên
ô tô.
SUMMARY
Nowadays, A control system is more complexed on automobile. CAN
(Controller Area Network), roughly translated as "Network ECU" or referred to as
the CAN network was born. However, the Data transfer system via CAN network is
a rather new system for students and technicians. No visual model for learners to be
able to visualize and study. Thus the teaching model of Data transfer system via
CAN networkis essential topics to help students gain access to new technologies, to
serve the diagnostic repair electrical systems on the car. The thesis has achieved
some results as follows:
- Having studied the theoretical basis of the data transfer system via CAN.
- Design and fabrication of the ECU box successful. The ECU communicate
with each other using CAN communication.
- The model simulated data transfer systems via CAN is made of threads can
be used for teaching and research.
GVHD: PGS_TS. Đỗ Văn Dũng
-iv-
HVTH: Nguyễn Mạnh Chiến
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Luận Văn Thạc Sĩ
MỤC LỤC
TRANG
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI
LÝ LỊCH KHOA HỌC ............................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... ii
MỤC LỤC .................................................................................................................. v
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................... viii
DANH SÁCH CÁC HÌNH ....................................................................................... ix
DANH SÁCH CÁC BẢNG ..................................................................................... xii
Chương 1:TỔNG QUAN ........................................................................................... 1
1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu ............................................................ 1
1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước .......................................................... 1
1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới .................................................................... 1
1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước ...................................................................... 3
1.3 Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu ....................................................................... 4
1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu.......................................................................................... 4
1.3.2 Đối tượng nghiên cứu........................................................................................ 5
1.4 Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu ........................................................ 5
1.4.1Nhiệm vụ của đề tài............................................................................................ 5
1.4.2Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................ 5
1.5Phương pháp nghiên cứu....................................................................................... 5
Chương 2:CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ THỐNG TRUYỀN DỮ LIỆU CAN TRÊN Ô
TÔ............................................................................................................................... 6
2.1Tổng quát về mạng CAN (Controller Area Network) .......................................... 6
2.2Khái quát về giao thức CAN ................................................................................. 8
2.2.1Tổng quát về giao thức CAN ............................................................................. 8
2.2.2 Lớp vật lý ....................................................................................................... 12
2.2.2.1Non return zero ............................................................................................. 12
2.2.2.2Bit Stuffing .................................................................................................... 12
2.2.2.3Bit Timing ..................................................................................................... 13
2.2.2.4Độ dài của một Bus ....................................................................................... 13
GVHD: PGS_TS. Đỗ Văn Dũng
-v-
HVTH: Nguyễn Mạnh Chiến
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Luận Văn Thạc Sĩ
2.2.2.5Trạng thái “Dominant” và “Recessive” ........................................................ 14
2.2.3Giải quyết tranh chấp trên Bus ......................................................................... 16
2.2.4CAN frame ....................................................................................................... 17
2.2.5Nominal Bit Time ............................................................................................ 21
2.2.6Sự đồng bộ xung clock ..................................................................................... 24
2.2.7 Truyền nhận message ...................................................................................... 27
2.2.8 Xử lý lỗi .......................................................................................................... 28
2.2.9 Mạch bảo bệ CAN bus .................................................................................... 29
2.2.9.1 Phần cứng ..................................................................................................... 29
2.2.9.2 Đặc tính kỹ thuật của bộ phận thu phát CAN transceiver............................ 34
2.2.9.3 Lựa chọn phương thức bảo vệ CAN bus...................................................... 37
2.2.9.4 Các mạch bảo vệ CAN bus .......................................................................... 38
Chương 3:THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH GIẢNG DẠY HỆ THỐNG
TRUYỀN DỮ LIỆU QUA MẠNG CAN ............................................................... 45
3.1 Các thành phần của mô hình: ............................................................................. 45
3.1.1 Cảm biến siêu âm (SRF05) ............................................................................. 45
3.1.2 Màn hình LCD ................................................................................................ 47
3.1.3 Vi điều khiển PIC 18F4580 ............................................................................ 50
3.2 Thu thập dữ liệu đầu vào của hệ thống .............................................................. 52
3.3 Thiết kế, chế tạo mạch ECU mô phỏng hệ thống truyền dữ liệu CAN ............. 54
3.3.1 Sơ đồ khối và sơ đồ thuật toán điều khiển hệ thống truyền dữ liệu CAN ...... 54
3.3.1.1 Sơ đồ khối hệ thống truyền dữ liệu CAN..................................................... 54
3.3.1.2 Sơ đồ thuật toán điều khiển hệ thống truyền dữ liệu CAN .......................... 55
3.3.2 Sơ đồ mạch điều khiển hệ thống truyền dữ liệu CAN trên ô tô ...................... 57
3.4 Thử nghiệm, đánh giá kết quả ............................................................................ 63
Chương 4:KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ..................................................................... 64
4.1. Kếtluận .............................................................................................................. 64
4.2. Đề nghị .............................................................................................................. 64
4.3. Hướng phát triển đề tài...................................................................................... 64
PHIẾU GIẢNG DẠY .............................................................................................. 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 73
GVHD: PGS_TS. Đỗ Văn Dũng
-vi-
HVTH: Nguyễn Mạnh Chiến
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
GVHD: PGS_TS. Đỗ Văn Dũng
-vii-
Luận Văn Thạc Sĩ
HVTH: Nguyễn Mạnh Chiến
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Luận Văn Thạc Sĩ
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CAN
:
(Controller Area Network)
CRC
:
(Cyclic Redundancy Code)
ECU
:
(Engine Control Unit)
EMI
:
(Electromagnetic Interference)
ESD
:
(Electrostatic Discharge)
HBM
:
(Human Body Model)
ISO
:
(International Standard Organize)
LCD
:
(Liquid Crystal Display)
SAE
:
(Standard of American Engineering)
SOF
:
(Start Of Frame).
TVS
:
(Transient Voltage Suppression)
GVHD: PGS_TS. Đỗ Văn Dũng
-viii-
HVTH: Nguyễn Mạnh Chiến
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Luận Văn Thạc Sĩ
DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH
TRANG
Hình 2.1: Sơ đồ tổng qt hệ thống CAN (Controller Area Network) trên xe ........... 6
Hình 2.2: Tính ổn định của CAN ................................................................................ 7
Hình 2.3: Ứng dụng mạng CAN trong điều khiển ơ tơ ............................................... 8
Hình 2.4: Ví dụ về mạng CAN.................................................................................... 9
Hình 2.5: Một nút mạng CAN................................................................................... 10
Hình 2.6: Mơ hình mạng CAN .................................................................................. 11
Hình 2.7: Các lớp layer giao tiếp .............................................................................. 11
Hình 2.8: NRZ method .............................................................................................. 12
Hình 2.9: Kỹ thuật Bit Stuffing ................................................................................. 12
Hình 2.10: Giản đồ thời gian ..................................................................................... 13
Hình 2.11: Tốc độ tỉ lệ nghịch với độ dài Bus .......................................................... 13
Hình 2.12: Điện áp của CAN low speed ................................................................... 15
Hình 2.13: Điện áp của CAN high speed .................................................................. 15
Hình 2.14: Sự kháng nhiễu với ảnh hưởng của điện từ ............................................ 16
Hình 2.15: Giải quyết tranh chấp trên Bus................................................................ 17
Hình 2.16: Khung truyền........................................................................................... 17
Hình 2.17: CRC field ................................................................................................ 18
Hình 2.18: Khung truyền dữ liệu CAN ..................................................................... 19
Hình 2.19: CAN standard frame ............................................................................... 19
Hình 2.20: CAN Extended frame .............................................................................. 20
Hình 2.21: CAN remote frame .................................................................................. 20
Hình 2.22: CAN error frame ..................................................................................... 20
Hình 2.23: Baudrate định nghĩa thời gian cho 1 bit .................................................. 21
Hình 2.24: Mỗi bit được cấu tạo bởi 4 segments ...................................................... 22
Hình 2.25: Cấu trúc của Time Quantum ................................................................... 23
Hình 2.26: Số lượng Time Quanta có thể cho mỗi segment ..................................... 23
GVHD: PGS_TS. Đỗ Văn Dũng
-ix-
HVTH: Nguyễn Mạnh Chiến
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Luận Văn Thạc Sĩ
Hình 2.27: Vấn đề đồng bộ ....................................................................................... 24
Hình 2.28: Chuỗi dịch chuyển độ dài Segment của Nominal Bit Time ................... 25
Hình 2.29: Sơ đồ khối bộ nhận CAN message ......................................................... 27
Hình 2.30: Sơ đồ khối bộ truyềnCAN message ........................................................ 27
Hình 2.31: Các loại lỗi khác nhau ............................................................................. 29
Hình 2.32: Cấu trúc 1 mạch CAN BUS .................................................................... 30
Hình 2.33: ISO 11898-2 Differential High-speed CAN bus..................................... 32
Hình 2.34: ISO 11898-3 Fault tolerant CAN Bus ..................................................... 33
Hình 2.35: SAE J2411 single wire CAN Bus ........................................................... 34
Hình 2.36: Cách tạo ra 1 diode TVS hai chiều ......................................................... 39
Hình 2.37: Mạch bảo vệ CAN dùng TVS diode ....................................................... 39
Hình 2.38: Mạch bảo vệ CAN dùng TVS diode ....................................................... 40
Hình 2.39: Mạch bảo vệ CAN dùng TVS diode ....................................................... 40
Hình 2.40: Mạch bảo vệ CAN dùng MOVs.............................................................. 41
Hình 2.41: Mạch bảo vệ CAN dùng cuộn cảm ......................................................... 42
Hình 2.43: Mạch bảo vệ CAN dùng mạch kết hợp ................................................... 44
Hình 2.44: Mạch bảo vệ mạng CAN 1 dây đơn ........................................................ 44
Hình 3.1 Sơ đồ khối mơ hình giảng dạy hệ thống truyền dữ liệu qua mạng CAN ... 45
Hình 3.2 Cảm biến siêu âm SRF05 ........................................................................... 46
Hình 3.3 Các chân kết nối của cảm biến ................................................................... 46
Hình 3.4 : Hình dáng của loại LCD thơng dụng ....................................................... 47
Hình 3.5 : Sơ đồ chân của LCD ................................................................................ 48
Hình 3.6 Sơ đồ chân PIC18F4580 ............................................................................ 50
Hình 3.7 Cấu trúc bên trong của MCP2551 .............................................................. 51
Hình 3.8 Sơ đồ kết nối với PIC ................................................................................. 52
Hình 3.9 Nguyên lý hoạt động của SFR05 ............................................................... 53
Hình 3.10: Sơ đồ mạch điện hệ thống truyền dữ liệu CAN trên mơ hình ................ 54
Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn .................................................................. 57
Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị................................................................ 58
GVHD: PGS_TS. Đỗ Văn Dũng
-x-
HVTH: Nguyễn Mạnh Chiến
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Luận Văn Thạc Sĩ
Hình 3.13 Mạch giao tiếp CAN ................................................................................ 58
Hình 3.14 Mạch các cảm biến ................................................................................... 59
Hình 3.15 Mạch các nút nhấn ................................................................................... 59
Hình 3.16 Mạch in..................................................................................................... 60
Hình 3.17 Hình ảnh tổng thể của mơ hình ................................................................ 61
Hình 3.18 Hình ảnh bên trong ECU .......................................................................... 61
Hình 3.19 Màn hình lúc mới khởi động .................................................................... 62
Hình 3.20 Kết quả hiển thị trên màn hình ................................................................. 62
GVHD: PGS_TS. Đỗ Văn Dũng
-xi-
HVTH: Nguyễn Mạnh Chiến
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Luận Văn Thạc Sĩ
DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG
TRANG
Bảng 2.1: Vận tốc – Độ dài – Bit time ...................................................................... 14
Bảng 2.2: So sánh CAN low speed và CAN high speed........................................... 14
Bảng 2.3: Thời gian của mỗi segment ...................................................................... 23
Bảng 2.4: Cơ chế đồng bộ ......................................................................................... 26
Bảng 2.5: Các tiêu chuẩn của lớp vật lý trong CAN ................................................. 30
Bảng 3.1 Kết quả thí nghiệm..................................................................................... 63
GVHD: PGS_TS. Đỗ Văn Dũng
-xii-
HVTH: Nguyễn Mạnh Chiến
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Luận Văn Thạc Sĩ
Chương 1:
TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
Ngày nay một hệ thống điều khiển được chia ra thành nhiều cụm khác nhau
và được điều khiển bởi những máy tính riêng rẽ khác nhau. Do đó số lượng dây dẫn
và các cảm biến ngày càng tăng, dẫn đến việc chẩn đốn sữa chữa gặp nhiều khó
khăn. Chính những điều này đã thúc đẩy cho sự ra đời của một số hệ thống mạng
điều khiển, trong đó có mạng CAN. CAN là viết tắt của Controller Area Network,
tạm dịch là “Mạng ECU” hay gọi tắt là mạng CAN, là 1 công nghệ mạng ghép nối
tiếp, được phát triển bởi Robert Bosch GmbH vào những năm đầu của thập niên
1980. Vào thời gian đầu, mạng CAN được sử dụng rộng rãi trong nền cơng nghiệp
tự động hóa và các ứng dụng trên xe hơi, xe tải và cho đến ngày nay thì mạng CAN
cũng đã thể hiện được tính ưu việt của nó trong các lĩnh vực khác như hàng không,
vũ trụ, y học cho tới các thiết bị sử dụng cho gia đình như: máy giặt, máy
sấy….Mạng CAN có lợi thế là 1 hệ thống kênh ghép nối tiếp sẽ lược bớt đi dây dẫn,
tăng cường khả năng điều khiển, giảm bớt số lượng cảm biến, phát hiện lỗi dễ dàng,
thuận tiện trong việc chẩn đoán và sữa chữa.
1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước
1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Các hãng ôtô hàng đầu Mỹ Nhật đã đầu tư nhiều triệu USD để áp dụng mạng
CAN trên ôtô của họ.
Hầu như mọi nhà sản xuấtchip lớn như: Intel, NEC, Siemens, Motorola,
Maxim IC, Fairchild, Microchip, Philips, Texas Instrument, Mitsubishi, Hitachi,
STmicro... đều có sản xuất ra chip CAN.
+ Robert Bosch GmbH, “ CAN Specification 2.0”, Sep. 1991.
Bài viết về đặc điểm kỹ thuật của CAN.
+ Vivekanandan., B., Sabane, M., and Murali, K., "Configurable Vehicle
Networks," SAE Technical Paper 2003-28-0012.
GVHD: PGS_TS. Đỗ Văn Dũng
-1-
HVTH: Nguyễn Mạnh Chiến
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Luận Văn Thạc Sĩ
Bài viết này đề cập đến sự phát triển của các mạng liên kết trên ô tô, các tiêu
chuẩn cho các mạng liên kết này. Bài viết cũng chỉ ra rằng trong những năm gần
đây các ECU được kết nối qua mạng thông tin đa dẫn, các mạng thường sử dụng là
CAN như là đường truyền chính và LIN như là đường truyền phụ kết nối với nhau
thông qua cổng (Gateway).
+ Mathony, H., Kaiser, K., and Unruh, J., "Network Architecture for CAN,"
SAE Technical Paper 930004, 1993.
Bài viết nói về cấu trúc mạng CAN, nó bao gồm một kết cấu các lớp thông tin
liên lạc và một bộ phận quản lý mạng. Kết cấu các lớp thông tin này bao gồm các
thiết bị có chức năng phân phối, truyền tải dữ liệu và giao diện ứng dụng. Những
môđun của hệ thống hỗ trợ thiết kế thông tin liên lạc và phần mềm quản lý mạng
với nhiều hay ít đặc điểm chức năng theo yêu cầu của ứng dụng. Phương pháp tiếp
cận này cho phép một sự thích ứng tối ưu hóa của hệ thống mạng đến yêu cầu ứng
dụng.
+ Alvarenga, C., "Multiplexing in Automobiles - An Application Example of
the CAN Protocol," SAE Technical Paper 921504, 1992.
Bài viết giới thiệu công nghệ truyền thông cho phép truyền và nhận phản hồi
thông tin trên xe hơi, sử dụng những đặc điểm tương tự với mạng cục bộ dùng vi điều
khiển. Dạng công nghệ này thường được biết đến như công nghệ ghép kênh
(multiplexing) trên ô tô. Bài viết đưa ra chi tiết nghiên cứu hệ thống ghép kênh dùng
giao thức CAN, cách thức này được đánh giá khả quan trên các dự án xe hơi ở Brazin.
+ Wang Xing, Huiyan Chen và Huarong Ding, “The Application of CAN on
vehicle”, Beijing Institute of Technology Vehicle Engineering College, Beijing
100081, China.
Bài báo chỉ ra các đặc điểm nổi bật của mạng CAN và so sánh với mạng
BITBUS- được phát triển bởi Intel. Chỉ ra ứng dụng CAN trên xe Jaguar, ứng dụng
trên hệ thống kiểm soát năng lượng cho xe điện, ứng dụng cho việc điều khiển hệ
thống treo dựa trên CAN.
GVHD: PGS_TS. Đỗ Văn Dũng
-2-
HVTH: Nguyễn Mạnh Chiến
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Luận Văn Thạc Sĩ
+ K.Tindell, A.Burnsand và A.J.Wellings, “ Calculating Controller Area
Network Message Response”, Control Eng. Practice, Vol.3,pp.1163-1169,
Copyright 1995 Elsevier Science Ltd, UK.
Bài viết cho thấy thời gian đáp ứng khi truyền một thông điệp nhất định trong
mạng CAN, đưa ra bảng kết quả thực nghiệm về thời gian truyền của các thông điệp
khác nhau.
1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Cùng với sự phát triển công nghệ ô tô trên thế giới ngành cơng nghệ ơ tơ trong
nước cũng có những bước tiến nhất định với khởi đầu là những cơng trình nghiên cứu
trong các trường Đại học của sinh viên, kỹ sư. Sau đây là một số đề tài điển hình:
+ Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy chẩn đoán OBD-2 - Sinh viên thực
hiện: Nguyễn Trung Hiếu (07105033) – Bùi Văn Hoàng (07105037) - Luận văn
đại học tháng 03 năm 2012, Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG –
Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM.
Nội dung đề tài:
- Hình thành cơ sở lý thuyết về máy chẩn đốn OBD-2 sử dụng chuẩn
giao tiếp CAN.
- Chế tạo mơ hình máy chẩn đoán OBD-2 chuẩn giao tiếp CAN sử
dụng giao diện LabVIEW
+ Hệ thống CAN (Controller Area Network) - Sinh viên thực hiện: Nguyễn
Chí Cơng (MSSV: 09305004) - Nguyễn Văn Minh (MSSV: 09305031) - Luận văn
đại học tháng 01 năm 2011, Giáo viên hướng dẫn: ThS. NGUYỄN VĂN LONG
GIANG – Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM.
Nội dung đề tài:
- Giới thiệu về hệ thống mạng CAN.
- Cấu trúc về thông điệp của hệ thống mạng CAN.
- Phương thức truyền dữ liệu của CAN ứng dụng trên ô tô.
- Hệ thống CAN BUS và hệ thống xử lý
- Ứng dụng của hệ thống CAN trên ô tô.
GVHD: PGS_TS. Đỗ Văn Dũng
-3-
HVTH: Nguyễn Mạnh Chiến
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Luận Văn Thạc Sĩ
+ Viết chuyên đề các hệ thống mới trên hệ thống điều khiển động cơ và ôtô Sinh viên thực hiện: Nguyễn Sĩ Phước (MSSV: 04105089) - Lâm Đình Thuận
(MSSV: 04105125) - Luận văn đại học tháng 03 năm 2009, Giáo viên hướng dẫn:
PGS.TS ĐỖ VĂN DŨNG – Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM.
Nội dung đề tài:
-
Hệ thống thông tin đa dẫn MPX.
-
Hệ thống mạng điện thân xe BEAN.
-
Hệ thống mạng ECU CAN.
-
Hệ thống mạng kết nối nội bộ khu vực LIN.
-
Hệ thống mạng điều khiển thiết bị âm thanh AVC-LAN.
-
Hệ thống mã hóa khóa động cơ ôtô IMMOBILIZER SYSTEM
+ Hệ thống truyền dữ liệu Multiplex và CAN trên ô tô – Học viên thực hiện:
Vũ Thị Thu Hiền – Luận văn Thạc sĩ năm 2013, Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS
ĐỖ VĂN DŨNG – Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM.
Nội dung đề tài:
- Cơ sở lý thuyết của hệ thống truyền dữ liệu Multiplex và CAN trên
ơ tơ.
- Thiết kế chế tạo mơ hình mô phỏng hoạt động truyền dữ liệu giữa
ECU điều khiển tốc độ motor quạt làm mát động cơ và ECU điều khiển
góc mở của motor servo trộn khí dựa trênvi điều khiển Atmega16
1.3 Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu
1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu cấu trúc một thông điệp trong CAN (mạng điều khiền vùng),
và chuẩn giao tiếp CAN.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, cách lập trình vi điều khiển, để làm nền tảng
cho việc chế tạo mơ hình.
GVHD: PGS_TS. Đỗ Văn Dũng
-4-
HVTH: Nguyễn Mạnh Chiến
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Luận Văn Thạc Sĩ
1.3.2 Đối tượng nghiên cứu
- Nghiên cứu các loại hệ thống truyền dữ liệu.
- Nghiên cứu chuẩn giao tiếp CAN.
- Nghiên cứu mạch vi điều khiển họ PIC18F
1.4 Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu
1.4.1 Nhiệm vụ của đề tài
Những năm đầu thập niên 90 hệ thống truyền dữ liệu qua mạng CAN ra đời đáp
ứng nhiều vấn đề cho các hệ thống điện trong xe, với tốc độ truyền tải cao, độ sai số rất
thấp. Từ năm 2007 tất cả các loại xe ôtô nhập vào Mỹ bắt buộc phải dùng mạng CAN.
Tại thị trường Việt Nam hiện nay các xe mới của hãng Huyndai, ToYoTa, …
cũng dùng mạng CAN. Tuy vậy, hệ thống truyền dữ liệu qua mạng CAN trên ô tô là
một hệ thống còn khá mới mẻ đối với học viên, sinh viên và những kỹ thuật viên
sửa chữa ô tô. Tài liệu bằng tiếng Việt về hệ thống truyền dữ liệu ở Việt Nam cịn
rất ít, do đó rất khó khăn trong việc tìm hiều và sửa chữa hệ thống này.
Đề tài này có nhiệm vụ tìm hiều cơ sở lý thuyết của hệ thống truyền dữ liệu
qua mạnh CAN trên ô tơ. Phân tích hoạt động của hệ thống truyền dữ liệu trên một
ơ tơ cụ thể từ đó thiết kế chế tạo mơ hình dùng trong giảng dạy. Do vậy việc Thiết
kế, chế tạo mơ hình giảng dạy hệ thống truyền dữ liệu qua mạng CAN là đề tài cần
thiết giúp sinh viên và các học viên tiếp cận hơn với các cơng nghệ mới, phục vụ
cho việc chuẩn đốn sửa chữa các hệ thống điện trên xe.
1.4.2 Phạm vi nghiên cứu
Đề tài giới hạn nghiên cứu hệ thống truyền dữ liệu CAN trên xe và chế tạo
mơ hình hệ thống truyền dữ liệu CAN điều khiển hệ thống tín hiệu, hỗ trợ lùi.
1.5 Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu, tổng hợp tài liệu.
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm.
- Phương pháp lập trình vi điều khiển.
- Phương pháp thiết kế, chế tạo mạch.
GVHD: PGS_TS. Đỗ Văn Dũng
-5-
HVTH: Nguyễn Mạnh Chiến
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Luận Văn Thạc Sĩ
Chương 2:
CƠ SỞ LÝ THUYẾT HỆ THỐNG TRUYỀN DỮ LIỆU
CAN TRÊN Ơ TƠ
2.1Tổng qt về mạng CAN(ControllerArea Network)
Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống CAN (Controller Area Network) trên xe
Controller Area Network (CAN) là giao thức giao tiếp nối tiếp hỗ trợ mạnh
cho những hệ thống điều khiển thời gian thực phân bố (Distributed Realtime
Control System) với độ ổn định, bảo mật và chống nhiễu cực tốt.
CAN lần đầu tiên được phát triển bởi nhà cung cấp phụ tùng xe ô tô của Đức
– Robert Bosch vào giữa những năm 80. Để thỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng của
khách hàng trong vấn đề an toàn và tiện nghi và làm giảm bớt khí thải ơ nhiễm và
tiêu thụ năng lượng, ngành công nghiệp ô tô đã phát triển rất nhiều hệ thống điện tử.
Với mục đích chính là làm cho những hệ thống phức tạp này trở nên an toàn, ổn
GVHD: PGS_TS. Đỗ Văn Dũng
-6-
HVTH: Nguyễn Mạnh Chiến
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Luận Văn Thạc Sĩ
định và tiết kiệm nhiên liệu mà vẫn có thể giảm thiểu việc đi dây chằng chịt, đơn
giản hóa hệ thống và tiết kiệm chi phí sản xuất, mạng CAN đã được ra đời.
Ngay từ khi mới ra đời, CAN đã được chấp nhận và ứng dụng một cách rộng
rãi trong các lĩnh vực công nghiệp, chế tạo ô tô. Qua thời gian, CAN ngày càng trở
nên thông dụng hơn vì tính hiệu quả, ổn định, đơn giản và chi phí thấp.Nó được sử
dụng trong việc truyền dữ liệu lớn, tốc độ cao, ổn định và đáp ứng thời gian thực
trong nhiều mơi trường khác nhau. Đó là lý do tại sao chúng được sử dụng trong rất
nhiều các ngành công nghiệp khác nhau bên cạnh ngành công nghiệp ô tô như máy
nông nghiệp, tàu ngầm, dụng cụ y khoa, máy dệt, v.v…
Ngày nay, CAN đã được chuẩn hóa thành tiêu chuẩn ISO 11898. Hầu như
mọi nhà sản xuất chip điện tử lớn như Intel, NEC, Siemens, Motorola, Maxin IC,
Fairchild, Microchip, Philips, Mitsubishi, Hitachi, ST Micro, v.v… đều có sản xuất
ra chip CAN, hoặc có tích hợp CAN vào thành phần ngoại vi của vi điều khiển.
Việc thực hiện chuẩn CAN trở nên cực kì đơn giản nhờ sự hỗ trợ của các nhà sản
xuất chip đó.
Điểm nổi trội nhất ở chuẩn CAN là tính ổn định và an tồn (reliability and
safety). Nhờ cơ chế phát hiện và xử lý lỗi cực mạnh, lỗi CAN messages hầu như
được phát hiện. Theo thống kê, xác suất để một message của CAN bị lỗi khơng
được phát hiện là:
Hình 2.2: Tính ổn định của CAN
Ví dụ cho rằng, giả sử cứ 0.7s thì môi trường tác động lên đường truyền
CAN làm lỗi 1 bít, và giả sử tốc độ truyền là 500 Kbit/s, hoạt động trong 8h/ngày và
GVHD: PGS_TS. Đỗ Văn Dũng
-7-
HVTH: Nguyễn Mạnh Chiến
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Luận Văn Thạc Sĩ
365 ngày/năm thì trong vịng 1000 năm, trung bình sẽ có 1 frame lỗi bị lỗi mà
khơng được phát hiện.
Miền ứng dụng của CAN trải rộng (from high speed network to low cost
multiflex wiring): hệ thống điện ô tô, xe tải, hộp điều khiển động cơ (Engine control
units), sennsor, PLC communication, thiếtbị y tế… Ngày nay, CAN đã có vị trí
chiếm lĩnh trong ngành cơng nghiệp ơ tơ. Trong những chiếc xe đời mới thường có
một mạng CAN high speed để điều khiển động cơ và phanh…một mạng CAN low
speed dùng để điều khiển những thiết bị khác như kiếng chiếu hậu, đèn…
Hình 2.3: Ứng dụng mạng CAN trong điều khiển ô tô
Chuẩn Field Bus Divice net, CAN open, J1939 thường dùng trong cơng
nghiệp chính là chuẩn CAN mở rộng với Physixcal layer và MAACsub layer của
các chuẩn này là CAN.
2.2 Khái quát về giao thức CAN
2.2.1Tổng quát về giao thức CAN
Chuẩn đầu tiên của CAN là chuẩn ISO 11898-2 định nghĩa các tính chất của
CAN High Speed.
Một ví dụ về mạng CAN trong thực tế:
GVHD: PGS_TS. Đỗ Văn Dũng
-8-
HVTH: Nguyễn Mạnh Chiến
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Luận Văn Thạc Sĩ
Hình 2.4: Ví dụ về mạng CAN
Cơng nghệ cáp của mạng CAN có đường dây dẫn đơn giản, giảm tối thiểu
hiện tượng sự đội tín hiệu. Sự truyền tín hiệu thực hiện nhờ cặp dây chuyền tín hiệu
vi sai, có nghĩa là chúng ta đo sự khác nhau giữa hai đường (CANH và CANL).
Đường dây Bus kết thúc bằng điện trở 120 Ohm (Thấp nhất là 108 Ohm và cao nhất
là 132 Ohm) ở mỗi đầu.
Mạng CAN được tạo thành bởi một nhóm các Nodes. Mỗi Node có thể giao
tiếp với bất kỳ Nodes nào khác trong mạng. Việc giao tiếp được thực hiện bằng việc
truyền đi và nhận các gói dữ liệu – gọi là thơng điệp. Mỗi loại thông điệp trong
mạng CAN được gán cho một ID – số định danh – tùy theo mức độ ưu tiên của
thơng điệp đó.
GVHD: PGS_TS. Đỗ Văn Dũng
-9-
HVTH: Nguyễn Mạnh Chiến
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Luận Văn Thạc Sĩ
Hình 2.5: Một nút mạng CAN
Mạng CAN thuộc loại Message Base System, khác với Address Base
System, mỗi loại thông điệp được gán một ID. Những hệ thống Address Base
System thì mỗi Node được gán cho một ID. Message Base System có tính mở hơn
vì khi thêm hoặc bớt một Node hay thay một nhóm Node phức tạp hơn khơng làm
ảnh hưởng đến cả hệ thống. Có thể có vài Node nhận và cùng thực hiện một nhiệm
vụ. Hệ thống điều khiển phân bố dựa trên mạng CAN có tính mở, dễ dàng thay đổi
mà không cần phải thiết kế lại toan bộ hệ thống.
Mỗi Node có thể nhận nhiều loại thơng điệp khác nhau, ngược lại, một thơng
điệp có thể được nhận bởi nhiều Nodes và công việc được thực hiện một cách đồng
bộ trong hệ thống phân bố.
ID của thông điệp phụ thuộc vào mức độ ưu tiên của thơng điệp. Điều này
cho phép phân tích thời gian đáp ứng của từng thông điệp. Ý nghĩa quan trọng
trong việc thiết kế hệ thống nhúng thời gian thực. Trước khi có mạng CAN, lựa
chọn duy nhất cho mạng giao tiếp trong hệ thống thời gian thực là mạng Token
Ring chậm chạp.
GVHD: PGS_TS. Đỗ Văn Dũng
-10-
HVTH: Nguyễn Mạnh Chiến
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Luận Văn Thạc Sĩ
Hình 2.6: Mơ hình mạng CAN
Tiêu chuẩn ISO 11898 định nghĩa hai lớp Physical layer và Data Link layer.
Lớp Physical layer định nghĩa cách biểu diễn/thu nhận bit 0, bit 1, cách định
thời gian và đồng bộ hóa.
Lớp Data Link layer được chia làm hai lớp nhỏ là Logical Link Control
(LLC) và Medium Access Control (MAC): định nghĩa frame truyền và những
nguyên tắc xử lý để tránh trường hợp cả hai messages cùng truyền đồng thời.
Hình 2.7: Các lớp layer giao tiếp
GVHD: PGS_TS. Đỗ Văn Dũng
-11-
HVTH: Nguyễn Mạnh Chiến
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Luận Văn Thạc Sĩ
Ngồi ra, chuẩn CAN cịn định nghĩa nhiều cơ chế khác để kiểm tra lỗi, xử lý
lỗi... Cơ chế kiểm tra và xử lý lỗi chia làm 5 loại lỗi: Bit Error, Stuff Error, CRC
Error, Form Error và ACK Error.
2.2.2 Lớp vật lý
2.2.2.1Non return zero
Mỗi bit trong mạng CAN được mã hóa bằng phương pháp None–return–to–
zero (NRZ method). Trong suốt quá trình của một bit, mức điện áp của dây được
giữ ngun, có nghĩa là, trong suốt q trình một bit được tạo, giá trị của nó giữ
khơng đổi.
Hình 2.8: NRZ method
2.2.2.2Bit Stuffing
Một trong những ưu điểm của các mã hóa NRZ là mức của bit được giữ
trong suốt quá trình của nó. Điều này tạo ra vấn đề về độ ổn định nếu một lượng lớn
bit giống nhau nối tiếp. Kỹ thuật Bit Stuffing áp đặt tự động một bit có giá trị ngược
lại khi nó phát hiện 5 bit liên tiếp trong khi truyền.
Hình 2.9: Kỹ thuật Bit Stuffing
GVHD: PGS_TS. Đỗ Văn Dũng
-12-
HVTH: Nguyễn Mạnh Chiến
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Luận Văn Thạc Sĩ
2.2.2.3Bit Timing
Ta định nghĩa thời gian đơn vị nhỏ nhất là Time Quantum. Thời gian cơ bản này
là một phân số của thời gian dao động của Bus. Một bit khoảng 8 đến 25 quanta.
Hình 2.10: Giản đồ thời gian
2.2.2.4Độ dài của một Bus
Độ dài của một Bus phụ thuộc vào những thơng số sau:
• Độ trễ lan truyền trên đường dây của Bus.
• Sự khác nhau của thời gian Time Quantum (vì sự khác nhau của
xung Clok trong các nút).
• Biên độ tín hiệu thay đổi theo điện trở của cáp và tổng trở vào các
nút.
Hình 2.11: Tốc độ tỉ lệ nghịch với độ dài Bus
GVHD: PGS_TS. Đỗ Văn Dũng
-13-
HVTH: Nguyễn Mạnh Chiến
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Luận Văn Thạc Sĩ
Bảng 2.1: Vận tốc – Độ dài – Bit time
Cần chú ý rằng bất cứ Module nào kết nối vào một Bus CAN phải được hỗ
trợ với tốc độ tối thiểu là 20Kbit/s. Để sử dụng Bus có độ dài hơn 200m, cần thiết
phải sử dụng một Optocoupleur, và để sử dụng Bus dài hơn 1km, phải cần một hệ
thông kết nối trung gian như Repeater hoặc Bridge.
2.2.2.5Trạng thái “Dominant” và “Recessive”
Ở lớp vật lý, Bus CAN định nghĩa hai trạng thái là “dominant” và
“recessive”, tương ứng với hai trạng thái là 0 và 1. Trạng thái “dominant” chiếm ưu
thế hơn so với trạng thái “recessive”. Bus chỉ ở trạng thái “recessive” khi khơng có
Node nào phát đi trạng thái “dominant”. Điều này tạo ra khả năng giải quyết tranh
chấp khi nhiều hơn một Master cùng muốn chiếm quyền sử dụng Bus.
Bởi tính chất vật lý của Bus, cần thiết phải phân biệt 2 dạng truyền:
- Truyền CAN lowspeed.
- Truyền CAN highspeed.
Bảng 3.1 sau tổng kết những tính chất cơ bản khác nhau giữa 2 dạng, đặc
biệt là tốc độ:
Bảng 2.2: So sánh CAN low speed và CAN high speed
GVHD: PGS_TS. Đỗ Văn Dũng
-14-
HVTH: Nguyễn Mạnh Chiến
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Luận Văn Thạc Sĩ
Hình 2.12: Điện áp của CAN low speed
Hình 2.13: Điện áp của CAN high speed
Vì tính chất vi sai trên đường truyền tín hiệu của Bus CAN, sự miễn trừ tác
động điện từ được đảm bảo vì 2 dây của Bus đều bị tác động như nhau cùng một lúc
bởi tín hiệu nhiễu.
GVHD: PGS_TS. Đỗ Văn Dũng
-15-
HVTH: Nguyễn Mạnh Chiến
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Luận Văn Thạc Sĩ
Hình 2.14: Sự kháng nhiễu với ảnh hưởng của điện từ
2.2.3Giải quyết tranh chấp trên Bus
Phương thức giao tiếp của Bus CAN là sự phát tán thông tin (Broadcast):
Mỗi điểm kết nối và mạng thu nhận frame truyền từ nút phát. Sau đó, mỗi nút sẽ
quyết định việc xử lý message, có trả lời hay khơng, có phản hồi hay không… Cách
thức này giống như sự phát thông tin về đường đi, người lái xe có thể thay đổi lộ
trình, dừng xe hay thay đổi tài xế hoặc không làm gì…
Giao thức CAN cho phép các nút khác nhau đưa dữ liệu cùng lúc vào một
q trình nhanh chóng, ổn địnhc của cơ chế xử lý sẽ xác định xem nút nào được
phát hiện đầu tiên.
Để xử lý thời gian thực, dữ liệu phải được truyền nhanh. Điều này ảnh hưởng
không chỉ đường truyền vật lý cho phép tới 1Mbit/s, mà còn đòi hỏi một sự cấp phát
nhanh Bus trong trường hợp xung đột, khi mà rất nhiều nút muốn truyền đồng thời.
Khi trao đổi dữ liệu trên Bus, thứ tự sẽ được xác định dựa vào loại thông tin. Ví dụ,
các giá trị hay biến đổi nhanh, như trạng thái của một cảm biến, hay phản hồi của
một động cơ, phải được truyền liên tục với độ trễ thấp nhất, hơn là các giá trị khác
như nhiệt độ của động cơ, các giá trị thay đổi ít. Trong mạng CAN, phần ID của
mỗi thông điệp, là một từ gồm 11 bit (Version 2.0A) xác định mức ưu tiên. Phần ưu
tiên này nằm ở đầu mỗi thông điệp. Mức ưu tiên xác định bởi 7 bit cho version
2.0A, tới 127 mức và mức 128 là 0000000 theo NMT (Network Mangement).
GVHD: PGS_TS. Đỗ Văn Dũng
-16-
HVTH: Nguyễn Mạnh Chiến
