Nghiên cứu và thiết kế thiết bị lưu trữ dữ liệu phục vụ xử lý xe sau tai nạn ngành công nghệ kỹ thuật ô tô

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC XÁC NHẬN HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN Tên đề tài: Nghiên cứu và thiết kế thiết bị lưu trữ dữ liệu phục vụ xử lý sau tai n

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ LƯU TRỮ DỮ

LIỆU PHỤC VỤ XỬ LÝ XE SAU TAI NẠN

SKL 0 0 7 9 5 2

PHẠM NGỌC BẢO GVHD: ThS NGUYỄN TRỌNG THỨC SVTH: NÔNG THẾ LÂM

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

**

NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ LƯU TRỮ DỮ

LIỆU PHỤC VỤ XỬ LÝ XE SAU TAI NẠN

Tp Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2021

SVTH: NÔNG THẾ LÂM MSSV: 16145431

SVTH: PHẠM NGỌC BẢO MSSV: 16145333

GVHD: ThS NGUYỄN TRỌNG THỨC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

**

NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ LƯU TRỮ DỮ

LIỆU PHỤC VỤ XỬ LÝ XE SAU TAI NẠN

SVTH: NÔNG THẾ LÂM MSSV: 16145431

SVTH: PHẠM NGỌC BẢO MSSV: 16145333

GVHD: ThS NGUYỄN TRỌNG THỨC

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT

Họ tên sinh viên: 1 Nông Thế Lâm MSSV: 16145431

(Email: 16145431@student.hcmute.edu.vn Điện thoại: 0387662746)

(Email: 16145333@student.hcmute.edu.vn Điện thoại: 0375552745)

Hệ đào tạo: Chính quy đại trà Mã hệ đào tạo:

1 Tên đề tài

Nghiên cứu và thiết kế thiết bị lưu trữ dữ liệu phục vụ xử lí xe sau tai nạn

2 Nhiệm vụ đề tài

1 Nghiên cứu chuẩn giao tiếp CAN trên ô tô

2 Nghiên cứu về dữ liệu trạng thái chuyển động của ô tô

3 Thiết kế mô hình thiết bị lưu trữ dữ liệu tai nạn ô tô

4 Lập trình Arduino và hiển thị trên LabVIEW

5 Viết thuyết minh cho đề tài

3 Sản phẩm của đề tài

Bản thuyết minh báo cáo

Mô hình hệ thống

4 Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 12/11/2020

5 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 25/01/2021

TRƯỞNG BỘ MÔN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Bộ môn ………

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Dành cho giảng viên hướng dẫn) Họ và tên sinh viên: Nông Thế Lâm MSSV: 16145431 Hội đồng: …………

Phạm Ngọc Bảo MSSV: 16145333 Hội đồng: …………

Tên đề tài: Nghiên cứu và thiết kế thiết bị lưu trữ dữ liệu phục vụ xử lý sau tai nạn Ngành đào tạo: CNKT Ô Tô Họ và tên GV hướng dẫn: ThS Nguyễn Trọng Thức Ý KIẾN NHẬN XÉT 1 Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên (không đánh máy)

2 Nhận xét về kết quả thực hiện của ĐATN (không đánh máy) 2.1 Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN

2.2 Nội dung đồ án (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)

2.3 Kết quả đạt được

2.4 Những tồn tại (nếu có):

Đánh giá:

đa Điểm đạt được

1 Hình thức và kết cấu ĐATN 30

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các

mục

10

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ

thuật, khoa học xã hội…

5

Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc

quy trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực

tế

15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên

ngành…

5

3 Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài 10

4 Sản phẩm cụ thể của ĐATN 10

3 Kết luận:

 Được phép bảo vệ

 Không được phép bảo vệ

TP.HCM, ngày tháng 01 năm 2021

Giảng viên hướng dẫn

(Ký, ghi rõ họ tên)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

Bộ môn ………

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Dành cho giảng viên phản biện) Họ và tên sinh viên: Nông Thế Lâm MSSV: 16145431 Hội Đồng: …………

Họ và tên sinh viên: Phạm Ngọc Bảo MSSV: 16145333 Hội Đồng: …………

Tên đề tài: Nghiên cứu và thiết kế hệ thống lưu trữ dữ liệu phục vụ xử lý sau tai nạn Ngành đào tạo: CNKT Ô Tô Họ và tên GV phản biện: (Mã GV)

Ý KIẾN NHẬN XÉT 1 Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:

2 Nội dung đồ án: (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)

3 Kết quả đạt được:

4 Những thiếu sót và tồn tại của ĐATN:

5 Câu hỏi:

1 Hình thức và kết cấu ĐATN 30

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật,

khoa học xã hội…

5

Khả năng thiết kế, chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy

trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế

15

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

XÁC NHẬN HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN

Tên đề tài: Nghiên cứu và thiết kế thiết bị lưu trữ dữ liệu phục vụ xử lý sau tai nạn

Họ và tên sinh viên: Nông Thế Lâm MSSV: 16145431

Phạm Ngọc Bảo MSSV: 16145333 Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô

Sau khi tiếp thu và điều chỉnh theo góp ý của Giảng viên hướng dẫn, Giảng viên phản biện và các thành viên trong Hội đồng bảo về Đồ án tốt nghiệp đã được hoàn chỉnh đúng theo yêu cầu về nội dung và hình thức

Chủ tịch Hội đồng:

Giảng viên hướng dẫn: _

Giảng viên phản biện:

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 01 năm 2021

LỜI CẢM ƠN

Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn các quý thầy từ bộ môn Điện Tử Ô tô, cũng như các thầy cô trong khoa Cơ Khí Động Lực, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, những người đã dìu dắt, chỉ dạy chúng em trong suốt thời gian học tập Quý thầy cô đã tận tình truyền đạt, giúp đỡ từ những kiến thức chuyên môn trong nhà trường đến thực tiễn trong cuộc sống giúp chúng em tiếp cận gần hơn và hiểu biết rõ hơn

về ngành nghề mà mình đã chọn, truyền lửa nhiệt huyết yêu nghề, những lời khuyên và hướng đi giúp chúng em có thể vượt qua những giai đoạn khó khi học tập tại giảng đường Đại học Qua những nền tảng kiến thức và hiểu biết vững chắc đó đã giúp chúng em hoàn thành tập đồ án này và là hành trang để chúng em bước vào đời

Hơn hết nhóm gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy ThS – Nguyễn Trọng Thức (Giảng

viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành Phố Hồ Chí Minh) đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo kịp thời, tạo điều kiện, động viên và giúp đỡ chúng em rất nhiều về mặt tinh thần cũng như kiến thức để chúng em vượt qua những ngày tháng khó khăn trong quá trình thực hiện đề tài và bài báo cáo này

Bên cạnh đó chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã hết lòng ủng

hộ, giúp đỡ và góp ý cho nhóm trong suốt quá trình thực hiện

Mặc dù đã rất cố gắng và nỗ lực nhiều, nhưng do kiến thức ít ỏi cũng như thời gian nghiên cứu là có hạn nên những thành quả đạt được không tránh khỏi những thiếu sót Do

đó chúng em kính mong nhận được những sự đóng góp, chỉ dạy của quý thầy cô để chúng

em hoàn thiện báo cáo được tốt hơn

Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng 01 năm 2021

TM Nhóm sinh viên thực hiện

Phạm Ngọc Bảo Nông Thế Lâm

TÓM TẮT

Xử lý xe sau tai nạn là vấn đề quan trọng, công cụ giúp điều tra viên có thể nắm rõ tình hình vụ tai nạn là các bằng chứng số và dấu vết tại hiện trường vụ tai nạn, đây là những bằng chứng để điều tra viên có thể tái hiện và phân tích chính xác nguyên nhân cũng như

quá trình tai nạn Để thu thập bằng chứng số, nhóm đề xuất thực hiện đề tài “Nghiên cứu

và thiết kế hệ thống lưu trữ dữ liệu phục vụ xử lý xe sau tai nạn” Với đề tài này, và

cùng với kiến thức của bản thân, chúng em đã tìm hiểu giao thức truyền dữ liệu mạng CAN

và chuẩn giao tiếp OBD II để lấy dữ liệu từ xe cũng như ý nghĩa những thông số quan trọng khi xử lý một vụ tai nạn từ các nguồn tài liệu tham khảo

Bước thứ 2, chúng em nghiên cứu các module giao tiếp dữ liệu mạng CAN, các thuật toán về lấy dữ liệu, cảm biến gia tốc, xử lý và lưu trữ dữ liệu

Sau khi tìm hiểu về các module và thuật toán, nhóm tiến hành thiết kế và lắp mạch đọc dữ liệu mạng CAN, đọc dữ liệu cảm biến gia tốc, lưu trữ các dữ liệu thu thập được vào thẻ nhớ theo ngày với số lần lấy mẫu lưu dữ liệu là 8 lần/giây

Nhóm đã thiết kế giao diện giao tiếp với file lưu trữ của thẻ nhớ bằng phần mềm LabVIEW để hiển thị lại những thông số đã lưu theo trình tự thời gian

Cuối cùng nhóm tiến hành giả lập va chạm module lưu trữ và hiển thị dữ liệu đã lưu trên LabVIEW

MỤC LỤC

Trang

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU vi

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH viii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1

1.3 Tính cấp thiết của đề tài 2

1.4 Mục tiêu của đề tài 2

1.5 Phương pháp và phạm vi nghiên cứu 2

1.6 Bố cục đề tài 3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 Tổng quan về việc xử lý sau tai nạn 4

2.2 Tổng hoạt động của CAN 12

2.2.1 Giới thiệu về CAN 12

2.2.2 CAN 2.0 14

2.3 Tìm hiểu về OBD II 22

2.3.1 Giới thiệu chung 22

2.3.2 Cấu tạo của Jack OBD-II 23

2.3.3 Tìm hiểu về OBD-II PID 24

2.4 Chuẩn giao tiếp trong truyền dữ liệu 29

2.4.1 Chuẩn giao tiếp SPI 29

2.4.2 Chuẩn giao tiếp I2C 32

2.5 Tổng quan cảm biến MEMS 36

2.6 Phần mềm LabVIEW 44

2.7 Giới thiệu về Arduino IDE 1.8.5 47

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 49

3.1 Arduino Mega 49

3.2 Module SD 50

3.3 Module Canbus Shield 51

3.4 Module cảm biến gia tốc MPU6050 52

3.5 Module giảm áp DC LM2596 54

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ, THI CÔNG MÔ HÌNH 55

4.1 Sơ đồ khối 55

4.2 Sơ đồ module 56

4.3 Sơ đồ đấu dây chi tiết 57

4.4 Sản phẩm hoàn thiện 58

4.5 Lập trình 59

4.5.1 Lưu đồ thuật toán 59

4.5.2 Code chương trình 60

4.6 Xây dựng giao diện hiển thị trên Labview 67

4.6.1 Giao diện người dùng 67

4.6.2 Chương trình Code Labview 72

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 78

5.1 Lắp đặt thiết bị 78

5.2 Kết quả thu được 80

5.2.1 Kết quả thu được trên Module giả lập 80

5.2.2 Kết quả lưu trữ trên thẻ SD 81

5.2.3 Kết quả hiển thị trên Labview 82

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN 86

6.1 Những kết quả đạt được 86

6.2 Hướng phát triển của đề tài 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

PHỤ LỤC 88

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU

CS/ SS Chip Select/ Slave Select

LabVIEW Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench

MISO (SO) Master – In / Slave – Out

MOSI (SI) Master – Out / Slave – In

SCK (SCLK) Serial Clock

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 2.1: Ngưỡng gia tốc được xem là va chạm nhẹ 7

Bảng 2.2: Các mức điện áp mạng CAN theo tiêu chuẩn 11898 (CAN tốc độ cao) 20

Bảng 2.3: Các mức điện áp mạng CAN theo tiêu chuẩn 11519 (CAN tốc độ thấp) 21

Bảng 2.4: Các độ dài bus khác nhau và tốc độ bit tối đa tương ứng 21

Bảng 2.5: Bảng mô tả ý chân Jack OBD II 23

Bảng 2.6: Mô tả chế độ của OBD-II PIDs 24

Bảng 2.7: Dữ liệu trả về khi gửi mã PIDs 25

Bảng 2.8: Bảng giá trị PIDs của chế độ 01 26

Bảng 2.9: Truy vấn dữ liệu 28

Bảng 2.10: Phản hồi dữ liệu 28

Bảng 4.1: Sơ đồ nối dây 57

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 2.1: Các thông số trong báo cáo dữ liệu tai nạn được lưu lại 5

Hình 2.2: Các thông số trong báo cáo dữ liệu tai nạn 8

Hình 2.3: Đồ thị các số thông số theo thời gian tai nạn 9

Hình 2.4: Các góc xoay thông số yaw, pitch, roll trên xe 10

Hình 2.5: Roll xuất hiện khi xe vào góc cua 11

Hình 2.6: Góc Yaw của xe ô tô 12

Hình 2.7: Khung dữ liệu (Data frame) của mạng CAN 15

Hình 2.8: Khung dữ liệu của mạng CAN 2.0A – khung tiêu chuẩn 15

Hình 2.9: Khung dữ liệu của mạng CAN 2.0B – khung mở rộng 18

Hình 2.10: Phân loại Jack OBD 22

Hình 2.11: Chân của jack OBD 22

Hình 2.12: Sơ đồ kết nối một Master với nhiều Slave 31

Hình 2.13: Cấu trúc dữ liệu trong mỗi giao dịch 33

Hình 2.14: Điều kiện bắt đầu trong mỗi giao dịch dữ liệu 34

Hình 2.15: Điều khiện kết thúc của giao dịch dữ liệu 35

Hình 2.16: Các bit dữ liệu gửi trên đường SDA khi Master gửi đến Slave 35

Hình 2.17: Các bit dữ liệu gửi trên đường SDA khi Master nhận dữ liệu từ Slave 35

Hình 2.18: Giao tiếp I2C giữa Master và Slave 36

Hình 2.19: Sơ đồ một hệ đo gia tốc 37

Hình 2.20: Các kiểu cảm biến gia tốc 37

Hình 2.21: Hệ trục cảm biến gia tốc 38

Hình 2.22: Đồ thị gia tốc, vận tốc, độ dịch chuyển theo thời gian 39

Hình 2.23: Hệ khối lượng – lò xo được sử dụng để đo gia tốc 39

Hình 2.25: Hiệu ứng Coriolis 41

Hình 2.26: Lực Coriolis 42

Hình 2.27: Sơ đồ con quay hổi chuyển lò xo khối lượng đơn giản 42

Hình 2.28: Sơ đồ cấu trúc cơ học của cảm biến góc xoay 43

Hình 2.29: Khung và khối lượng cộng hưởng bị dịch chuyển bởi tác động hiệu ứng Coriolis 43

Hình 2.30: Logo phần mềm LabVIEW 44

Hình 2.31: Cửa số Getting Started của LabVIEW 47

Hình 2.32: Giao diện Arduino IDE 1.8.5 48

Hình 3.1: Board Arduino Mega 2560 49

Hình 3.2: Module micro SD card 50

Hình 3.3: Module Can bus Shield 51

Hình 3.4: Module cảm biến gia tốc MPU6050 52

Hình 3.5: Hệ trục tọa độ của 1 vật thể trong không gian 53

Hình 3.6: Module giảm áp DC LM2596 54

Hình 4.1: Sơ đồ khối 55

Hình 4.2: Sơ đồ module 56

Hình 4.3: Sơ đồ đấu dây chi tiết 57

Hình 4.4: Mô hình lưu trữ dữ liệu tai nạn 58

Hình 4.5: Lưu đồ thuật toán 59

Hình 4.6: Giao diện hiển thị với người dùng bằng Labview 67

Hình 4.7: Giao diện hiển thị tốc độ và vị trí tay số 68

Hình 4.8: Giao diện hiển thị góc đánh lái của người lái và góc xoay Yaw của xe 68

Hình 4.9: Giao diện hiển thị góc xoay Pitch và Roll của xe 69

Hình 4.10: Giao diện hiển thị gia tốc thẳng đứng và ngang của xe 69

Hình 4.11: Giao diện tiến hiệu ly hợp, bàn đạp ga và phanh của xe 69

Hình 4.12: Giao diện đồ thị tọa độ quỹ đạo chuyển động của xe 70

Hình 4.13: Đồ thị tọa độ điểm của xe 71

Hình 4.14: Khối chương trình 72

Hình 4.15: Khối lấy dữ liệu từ file TXT 72

Hình 4.17: Khối xác định thời điểm tai nạn 73

Hình 4.18: Khối tách dữ liệu thành các tín hiệu riêng biệt 74

Hình 4.19: Khối vẽ đồ thị tọa độ chuyền động của ô tô 74

Hình 4.20: Đồ thị hành vi người lái và sự chuyển động của xe 75

Hình 4.21: Đồ thị tín hiệu của xe 75

Hình 4.22: Giao diện thông số bàn đạp ga và tốc độ theo thời gian 76

Hình 4.23: Giao diện thông số góc lái và góc Yaw của xe theo thời gian 76

Hình 4.24: Giao diện thông số tay số, phanh và ly hợp của xe 77

Hình 5.1: Sơ đồ đấu dây module giả lập 78

Hình 5.2: Sơ đồ đấu dây giữa 2 mô hình (module giả lập bên trái và module thu thập dữ liệu bên phải) 79

Hình 5.3: Mô hình thực tế khi giả lập 79

Hình 5.4: Giao diện hiển thị của module giả lập 80

Hình 5.5: Kết quả lưu được trên thẻ SD 81

Hình 5.6: Kết quả hiển thị trên Labview 82

Hình 5.7: Kết quả đồ thị hành vi người lái và sự chuyển động của xe 83

Hình 5.8: Kết quả đồ thị tín hiệu xe 84

Hình 5.9: Giao diện thông số bàn đạp ga và tốc độ theo thời gian 84

Hình 5.10: Giao diện thông số góc lái và góc Yaw của xe theo thời gian 85

Hình 5.11: Giao diện thông số tay số, phanh và ly hợp của xe 85

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Lý do chọn đề tài

Tồng số lượng phương tiện ô tô tính đến tháng 11/2020 là 4.093.975 chiếc theo thống

kê của Tổng cục đường bộ giao thông vận tải Con số này sẽ tiếp tục gia tăng khi chất lượng cuộc sống của người dân Việt Nam ngày càng nâng lên và nhu cầu sử dụng phương tiện ngày một tăng cao Những ưu đãi về thuế và các chính sách của nhà nước dành cho ngành ô tô sẽ tạo điều kiện cho người dân dễ dàng sử hữu ô tô Lượng phương tiện giao thông lớn tham gia trên đường sẽ gây sức ép lớn lên hệ thống cơ sở hạ tầng giao thông và công tác công tác quản lý giao thông Lượng phương tiện tham gia đông kéo theo khả năng rủi ro xảy ra tai nạn cũng ngày một nhiều Và khi tai nạn xảy ra thì công cuộc thu thập dữ liệu tại hiện trường vụ tai nạn sẽ rất quan trọng cho việc điều tra và tái hiện lại vụ tai nạn, tìm ra nguyên nhân gây tai nạn và hướng giải quyết tốt nhất, minh bạch và công bằng nhất cho các bên bị tai nạn, tránh trường hợp điều tra sai dẫn đến kéo dài công tác xử lý, án oan cho người vô tội

Các mô hình đang được sử dụng để lưu trữ dữ liệu trên xe hiện nay chủ yếu lấy dữ liệu trực tiếp của xe, do đó có thể xảy ra trường hợp những dữ liệu này không đủ độ khách quan để cung cấp thông tin hữu ích cho quá trình điều tra và xử lý Ví dụ trường hợp xe Inova lùi trên cao tốc vào năm 2016 Ngoài dữ liệu tốc độ xe trích xuất từ hộp đen của xe container, thì các thông số chỉ là phán đoán chủ quan của điều tra viên dựa trên hình ảnh hiện trường sau tai nạn Như từ vệt bánh xe container để xác định tài xế Hoàng có phanh không Hình ảnh biến dạng của đầu container để xác định xe Inova đánh lái chiếm đường của xe container Vì những lí do đó, nhóm đề xuất giải pháp thu thập dữ liệu xe để phục vụ

xử lý sau khi xe bị tai nạn, thu thập một vài dữ liệu quan trọng một cách độc lập, nhằm hỗ trợ đội điều tra tìm ra nguyên nhân và tái hiện lại vụ tai nạn, đẩy nhanh tiến độ điều tra và đảm bảo sự chính xác của kết quả điều tra xử lý vụ việc tai nạn

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Nghiên cứu trong nước: Hiện nay, đã có nhiều công trình nghiên cứu giúp xây dựng

hệ thống giám sát xe từ xa, thu thập dữ liệu từ trên xe để phục vụ trích xuất lấy dữ liệu cho công tác quản lý, điều tra tai nạn nhưng chủ yếu thu thập về tốc độ xe, tọa độ xe xảy ra tai nạn

Nghiên cứu ngoài nước: Tại nước ngoài với sự phát triển về hạ tầng giao thông và công nghệ, ngoài những công nghệ thông minh hiện đại cảnh báo va chạm tai nạn, người

ta đã xây dựng nhiều hệ thống, nghiên cứu hỗ trợ thu thập dữ liệu của xe một cách độc lập, phục vụ công tác xử lý và tái hiện lại vụ tai nạn để phân tích và tìm ra nguyên nhân chính của vụ tai nạn Một số thiết bị đã thương mại trên thị trường như Event Data Recoder của Toyota, Blackbox Can Loger của CCS Electronic Các sản phẩm này chỉ chỉ phù hợp với các dòng xe có mã nguồn được các hãng xe cung cấp Nên việc phổ biến sản phẩm nghiên cứu vẫn chưa được sử dụng rộng rãi

1.3 Tính cấp thiết của đề tài

Số lượng xe lưu thông ngày một tăng, số lượng tai nạn cũng tăng lên rất nhiều trong các năm gần đây Các tình huống tai nạn thì ngày càng đa dạng, phức tạp, và thiệt hại nặng

nề Vì vậy, công tác quản lý theo dõi xe hoạt động và phân tích xử lý, tái hiện vụ tai nạn

để tìm ra nguyên nhân gây tai nạn và hướng giải quyết công bằng, tốt nhất ngày càng được

xã hội quan tâm

1.4 Mục tiêu của đề tài

 Xây dựng mô hình lưu trữ dữ liệu của xe để phục vụ công tác điều tra, xử lý, tái hiện vụ tai nạn

 Tìm hiểu về arduino, module Canbus Shield, module thẻ nhớ SD, thời gian thực RTC DS1307, cảm biến gia tốc Tìm hiểu phần mềm hiển thị giả lập Labview

 Thiết kế mô hình giả lập dữ liệu trên xe

 Thiết kế mô hình lưu trữ dữ liệu trên xe bằng việc đọc dữ liệu từ mô hình giả lập dữ liệu trên xe qua giao thức CAN

1.5 Phương pháp và phạm vi nghiên cứu

a Phương pháp nghiên cứu

 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết lập trình điều khiển Arduino, mạng giao tiếp CAN, I2C, SPI

 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

b Phạm vi nghiên cứu

 Cấu trúc truyền nhận dữ liệu chuẩn CAN

 Cấu trúc truyền nhận dữ liệu chuẩn SPI, I2C

 Nghiên cứu, thiết kế mô hình, viết chương trình giao tiếp các module để thu thập dữ liệu và lưu trữ, hiển thị lại kết quả lưu trữ

1.6 Bố cục đề tài

Đề tài gồm 6 chương:

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Cơ sở lý thuyết linh kiện điện tử

Chương 4: Thiết kế, thi công mô hình

Chương 5: Kết quả thực nghiệm

Chương 6: Kết luận và định hướng phát triển

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về việc xử lý sau tai nạn

Khi một vụ va chạm xe xảy ra, điều quan trọng là phải biết điều gì đã xảy ra và xảy

ra như thế nào Việc xây dựng lại càng nhiều thông tin càng tốt là rất quan trọng đối với dịch vụ bảo hiểm, điều tra và xử lý các vụ kiện tụng

Dữ liệu tai nạn có giá trị cao vì nó cung cấp một bản ghi khoa học chính xác về các

sự kiện Các dữ liệu này vượt ra ngoài lời khai truyền miệng Mức độ chi tiết của dữ liệu

có thể cho điều tra viên biết nhiều điều về va chạm Ngoài ra, thiết bị còn giúp quá trình điều tra có thể có được tầm nhìn rộng hơn bằng cách xem xét các lịch sử hành vi của người lái xe hoặc phương tiện cụ thể

Theo bài báo cáo “Tất cả dữ liệu khoa học về tai nạn” (Collision Sciences All about Crash Data): Một báo cáo dữ liệu tai nạn được cung cấp dưới dạng một tập tin PDF từ các

dữ liệu được lưu trữ dạng cơ số 16 (hex) thông qua bộ ghi dữ liệu tình huống của xe – vehicle’s Event Data Recorder (EDR) sau một vụ va chạm

Kể từ năm 2013, "hộp đen" đã là bắt buộc đối với những chiếc ô tô hiện đại ở Hoa

Kỳ Các cơ quan thực thi của Hà Lan cũng thích sử dụng dữ liệu do EDR ghi lại, ví dụ sau những vụ tai nạn giao thông nghiêm trọng, dữ liệu được coi là bằng chứng quyết định

Dữ liệu cần thiết bao gồm tốc độ xe, việc thắt dây an toàn và sử dụng bàn đạp

ga, phanh, mức độ nghiêm trọng của va chạm, v.v

Các dữ liệu cần thiết cho việc sử lý một tình huống nào đó có thể được lấy thông qua các cảm biến để lấy được các thông số:

 Thời gian giữa các sự kiện va chạm nếu có

 Nghiên cứu sự thay đổi vận tốc ∆𝑉 (Delta-V)

 Kích hoạt chống bó cứng phanh (Bật / Tắt)

 Hoạt động của hệ thống kiểm soát hành trình

 Đang có mã lỗi chuẩn đoán khi có tai nạn

Có bao nhiêu thông tin trình điều khiển trong Báo cáo dữ liệu sự kiện EDR?

Thông tin người lái xe được ghi lại, chẳng hạn như tốc độ xe, đầu vào của phanh và bàn đạp ga, và một số thông tin hữu ích khác, đây là bằng chứng kỹ thuật số quan trọng khi tiến hành điều tra khiếu nại

Thông thường, có 5 giây lưu trữ dữ liệu về tốc độ và bàn đạp ga được ghi lại trước khi va chạm đối với xe chở khách và thường là 8 giây đối với dữ liệu của bàn đạp phanh trước khi va chạm Các điểm dữ liệu được lấy mẫu ở khoảng thời gian 1,0 giây, có nghĩa

là chúng ta không biết chính xác thời điểm đạp phanh hoặc chân ga được nhấn trong một khoảng thời gian, nhưng chúng ta biết trạng thái của nó tại mỗi thời điểm 1,0 giây Dữ liệu này rất hữu ích khi so sánh với các lời tường thuật trong các cuộc điều tra gian lận và đánh giá trách nhiệm pháp lý, chẳng hạn như khi phân tích cơ hội tránh va chạm của người lái

xe

Hình 2.1: Các thông số trong báo cáo dữ liệu tai nạn được lưu lại

Thông tin về các số liệu khác có trong Báo cáo Dữ liệu Tai nạn EDR?

Dữ liệu va chạm của phương tiện lưu giữ thông tin có giá trị liên quan đến mức độ nghiêm trọng của va chạm, thực chất là phép đo sự thay đổi tăng hoặc giảm tốc đột ngột,

nó không nhất thiết là một tai nạn Gia tốc này có thể được sử dụng trong đánh giá mức độ nghiêm trọng của tai nạn

Gia tốc thường liên quan đến "delta-V" hoặc "thay đổi vận tốc" một cách nhanh chóng trong một đơn vị thời gian Dữ liệu gia tốc này được đo bởi các cảm biến hoặc một máy đo gia tốc trong mô-đun túi khí và được lấy mẫu mỗi mili giây (1/1000 giây); khi đo gia tốc trên một ngưỡng nhất định, được gọi là "kích hoạt thuật toán" trên báo cáo dữ liệu tai nạn,

dữ liệu tai nạn bắt đầu lưu vào bộ nhớ Nếu một vụ va chạm nghiêm trọng đến mức không kết thúc quá trình ghi, chẳng hạn như do mất nguồn, thì báo cáo dữ liệu tai nạn sẽ cho biết vấn đề này và vì dữ liệu đã được lưu trữ nên báo cáo sẽ hiển thị sự thay đổi vận tốc tối đa được ghi lại

Dữ liệu "thay đổi vận tốc" là dữ liệu mà xe sử dụng để quyết định có kích hoạt túi khí hay không Và việc quyết định triển khai túi khí là một quyết định dự đoán, phải được thực hiện trước khi kết thúc va chạm để người ngồi trên xe được bảo vệ an toàn tránh khỏi va đập vào các thành phần khác trong khoang hành khách Ví dụ, quyết định kích hoạt túi khí được đưa ra trong vòng 15 mili giây Lưu ý rằng một vụ va chạm điển hình kéo dài 1/10 giây tức là 100 mili giây Các va chạm ở tốc độ thấp, có độ bật lại (độ hồi âm cao) có thể kéo dài hơn, lên đến 200 hoặc 300 mili giây

Sẽ có một phép đo delta-V theo chiều dọc (từ trước ra sau) và delta-V theo chiều ngang, nếu xe có túi khí bên Delta-V là một số âm khi xe đang giảm tốc (Vận tốc sau nhỏ hơn vân tốc trước đó: ∆𝑉 = V2 – V 1) Ví dụ, trên các đoạn trích của báo cáo dữ liệu tai nạn dưới đây, sự thay đổi vận tốc tối đa được ghi nhận là -17,08 mph (tương đương -27.49 km/h hay -7.64 m/s), cho thấy một sự thay đổi vận tốc đột ngột nghiêm trọng đã xảy ra trong khoảng thời gian ngắn là 75 mili giây

Theo một nghiên cứu của Geotap với thiết bị lưu trữ dữ liệu tai nạn: Va chạm được phát hiện bởi bộ thiết bị một khi bất kì gia tốc nào lớn hơn hoặc bằng 2.5g với g = 9.81m/s2, thiết bị nhận biết va chạm sẽ không dùng đến dữ liệu gia tốc lên hoặc xuống của xe (tức là gia tốc theo trục Z) Các phép tính toán liên quan đến gia tốc chỉ dựa vào giá trị gia tốc theo trục X (gia tốc thẳng khi xe tăng tốc hoặc khi phanh) và gia tốc theo trục Y (gia tốc ngang) Khi phát hiện gia tốc 2.5g ở bất kì hướng nào thì nó sẽ thu thập các giá trị với tần số 100Hz

Các nhà phát triển của thiết bị đưa ra một quy luật va chạm có thể xảy ra: Nếu phát hiện độ thay đổi tốc độ lớn hơn 2.5g khi tăng tốc hoặc khi phanh hoặc có gia tốc ngang Thiết bị sẽ gửi thông tin báo cáo chi tiết về vị trí, tốc độ và gia tốc của chiếc xe khi bật chế độ nhận thông báo trên thiết bị Ngay cả khi không bật nhận thông báo va chạm thì người dùng vẫn có thể xem chi tiết trong báo cáo nhật ký và va chạm Ngoài ra, thông báo va chạm có thể là báo động giả vì việc gõ tay hoặc va nhẹ vào thiết bị có thể vô tình kích hoạt gửi báo động Do đó người dùng cần phải cài đặt thiết bị theo cách riêng của người lái xe

Bên cạnh đó, khi xảy ra va chạm nhẹ mà gia tốc kế đo được nhỏ hơn mức 2.5g Ví

dụ khi 2 xe va chạm nhau ở tốc đột thấp mà cả 2 xe đều tiếp tục chạy tiếp sau đó thì thông báo va chạm không được gửi Tuy nhiên ở những trường hợp này thì thiết bị vẫn lưu trữ dữ liệu, có thể truy xuất dữ liệu để kiểm tra (dữ liệu gia tốc được lưu 100 lần/giây,

có dữ liệu thay đổi về hướng hoặc tốc độ, đây đều là những số liệu quan trọng) Việc phát hiện va chạm không tồn tại dưới dạng quy luật dựng sẵn, nhưng có thể được thêm vào cơ sở dữ liệu của thiết bị, độ nhạy của thiết bị hoàn toàn có thể tùy chỉnh để đáp ứng yêu cầu của người dùng Dựa trên các kinh nghiệm và nghiên cứu, nhà sản xuất thiết bị gợi ý đặt ngưỡng như liệt kê của bảng dưới đây:

Bảng 2.1: Ngưỡng gia tốc được xem là va chạm nhẹ

là người ngồi trên xe hay không Điều tra viên cũng có thể xem xét việc chụp ảnh bất kỳ vết rạn nào trên vòng đai chữ D hoặc dây đai an toàn làm bằng chứng thêm về việc sử dụng hoặc không sử dụng dây an toàn

Hình 2.2: Các thông số trong báo cáo dữ liệu tai nạn

Lưu ý rằng tốc độ của xe thường dựa trên giá trị trung bình của các chỉ số cảm biến tốc độ bánh xe, do đó cần được xem xét cùng với các chi tiết tai nạn khác Ví dụ, nếu bánh

xe bị khóa hoặc xe đang quay, tốc độ bánh xe đo được sẽ không giống với tốc độ thực tế của xe Bằng cách xem xét dữ liệu với hiểu biết này, ta có thể hiểu được bất kỳ sự bất thường nào trong bản ghi dữ liệu tai nạn

Thông số góc lái: Dữ liệu thông số góc lái được lấy từ cảm biến góc lái của xe, lắp tại vị trí vô lăng lái Đại lượng này giúp người điều tra viên biết được tại thời điểm trước, trong và sau va chạm, người lái xe đang lái xe với góc lái như thế nào, người lái có chủ động đánh lái để tránh tai nạn hoặc giảm mức độ nghiêm trọng của tai nạn hay không

Thông số gia tốc: Thông số gia tốc được tính toán dựa vào sự thay đổi vận tốc delta

V trong một khoảng thời gian nhỏ lấy mẫu, gia tốc được tính với đơn vị m/s2, đại lượng này đặc trưng cho sự thay đổi vận tốc của xe theo thời gian, người ta cũng dựa vào số liệu gia tốc để nhận định và phân tích mức độ nghiêm trọng của vụ tai nạn, vì nếu gia tốc lớn, các thuộc tính liên quan đến đại lượng gia tốc như lực quán tính, momen quán tính cũng sẽ rất lớn, những thành phần này sẽ là thước đo cho sự trầm trọng và nặng nề của vụ tai nạn Thông số vận tốc: Thông số vận tốc cho biết tốc độ của xe trước, trong và sau thời điểm xảy ra tai nạn, đại lượng này giúp người điều tra biết được tại thời điểm xảy ra tai nạn, người điều khiển phương tiện có đang phạm luật quá tốc độ hay không, tốc độ khi va

Thông số bàn đạp ga: Dữ liệu bàn đạp ga được lấy từ cảm biến bàn đạp ga, nó cho biết tại thời điểm trước, trong và sau va chạm, người lái xe có đang đạp bàn đạp ga hay không, giá trị phần trăm bàn đạp ga là bao nhiêu

Thông số bàn đạp phanh: Dữ liệu bàn đạp phanh (phần trăm bàn đạp phanh) được lấy

từ công tắc cảm biến lực đạp phanh kết hợp với dữ liệu bàn đạp ga cho biết liệu người lái

có chủ động giảm tốc để tránh tai nạn hoặc giảm thiểu mức độ nghiêm trọng của tai nạn hay không

Hình 2.3: Đồ thị các số thông số theo thời gian tai nạn

Kích hoạt chống bó cứng phanh (Bật / Tắt): Dữ liệu này giúp xác định xe có đang vận hành trong điều kiện sử dụng hệ thống an toàn chủ động không khi mà tai nạn xảy ra

Mã lỗi chẩn đoán có xuất hiện khi tai nạn xảy ra: Đây là dữ liệu cho biết liệu có hư hỏng, lỗi tại bất kì bộ phận, cảm biến hoặc hệ thống nào khiến cho tai nạn xảy ra, khiến cho vụ tai nạn trở nên nghiêm trọng hơn hoặc khiến cho người điều khiển mất khả năng làm chủ phương tiện của mình gây tai nạn và tai nạn xảy ra với mức độ nghiêm trọng Thông số góc Roll, Pitch, Yaw: Các góc Roll, Pitch, Yaw là các góc quay của xe quanh các trục lần lượt là X, Y, Z Chúng ta quan tâm đến thông số các góc xoay Roll, Pitch, Yaw để biết được rằng xe di chuyển như thế nào và khi gặp tai nạn thì sự mất ổn định của xe cũng sẽ được thể hiện rõ qua các thông số góc xoay này Góc Pitch, Roll có

thể để xác định độ dốc, nghiêng của mặt đường, góc Yaw cũng giúp xác định lực gió ngang tác động lên xe, từ đó xác định thêm các điều kiện môi trường xung quanh nơi xảy ra tai nạn

Hình 2.4: Các góc xoay thông số yaw, pitch, roll trên xe

Phương tiện ô tô vận hành tự do trong không gian 3 chiều có thể thay đổi hướng và chuyển động quay quanh 3 trục trực giao tập trung tại trọng tâm của phương tiện (trục X,

Y, Z) Điều quan trọng cần lưu ý là trong điều kiện lý tưởng, cả ba trục đều giao nhau tại một điểm, được gọi là trọng tâm Đó là lý thuyết, nhưng trong thực tế mọi thứ hơi khác một chút Rất khó, hầu như không thể đạt được điều đó vì thực tế nhiều xe nặng đầu, nặng đuôi và sự phân bổ khối lượng xe không đều do hàng hóa

Pitch là chuyển động quanh trục Y (trục ngang, trục bên hoặc trục tung) là một trục chạy từ trái sang phải, đi qua trọng tâm Trục bên đi qua ô tô từ bên này sang bên kia, luôn song song với mặt đất Có thể hình dung góc Pitch thường xuất hiện khi ta phanh xe một cách đột ngột, khối lượng của chiếc xe bị dồn về phía trước, khiến đầu xe và thân xe bị chúi về phía trước, tương tự như khi tăng tốc, thân xe bị dúi về phía sau, khối lượng của xe

bị chuyển lên bánh sau Thông số Pitch rất quan trọng vì nó cũng thể hiện mức độ bám của lốp xe khi di chuyển trên đường thẳng như tăng tốc và phanh xe Và trên ô tô thì thường những góc này có giá trị tương đối nhỏ, thường là kết quả của việc hệ thống treo phản ứng lại khi xe vào rẽ, xuất hiện gia tốc và do điều kiện đường xá, Pitch xuất hiện như 1 phản

ứng với các lực tăng và giảm tốc độ xe Pitch thường được coi là dương (+) đối với chuyển động hướng lên của mũi xe và âm (-) đối với chuyển động đi xuống của mũi xe

Roll là chuyển động quanh trục X (trục dọc hoặc trục Roll) là một trục được vẽ xuyên qua thân xe từ trước ra sau theo hướng chuyển động bình thường hoặc hướng mà người lái

xe phải đối mặt, thông thường đi qua trọng tâm xe, nhưng không phải luôn luôn, và nó song song với mặt đất), góc Roll thường xuất hiện khi xe chuyển động trên đường không bằng phẳng, vạch đường bánh xe bên trái cao hoặc thấp hơn bên phải Góc Roll thể hiện chuyển động của thân xe, xác định mức độ phân bố khối lượng của xe, sự dịch chuyển trọng lượng của xe sang phải hoặc trái khi xe rẽ hoặc quay vòng Ví dụ khi vào góc cua, chiếc xe có xu hướng nghiêng theo hướng ngược lại góc cua, áp một tải trọng lớn lên lốp

xe ngoài cùng Như vậy, Roll xuất hiện như là một phản ứng với lực ly tâm khi vào cua Góc Roll cũng là một thông số quan trọng trong thuộc tính vật lý của xe Roll thường được coi là dương (+) đối với chuyển động đi lên ở bên phải và âm (-) đối với chuyển động đi lên ở bên trái của xe

Hình 2.5:Roll xuất hiện khi xe vào góc cuaYaw là chuyển động quay quanh trục Z, là một trục được vẽ từ trên xuống dưới, đi qua trọng tâm và vuông góc với hai trục còn lại Thông thường, nhưng không phải lúc nào, cũng vuông góc với mặt đất Yaw là chuyển động từ trái sang phải hoặc phải sang trái của mũi ô tô quanh trục Z thẳng đứng của nó Đối với xe ô tô thì nó xác định hướng mũi của

xe Giả sử ta gắn một mũi tên từ đuôi xe lên đầu xe, chuyển động cùng hoặc ngược chiều kim đồng hồ so với đường thẳng màu đỏ được gọi là Yaw (như hình bên dưới), hay nói

cách khác Yaw là hướng chuyển động Góc Yaw được coi là dương (+) khi mũi xoay sang phải và âm (-) khi mũi xoay sang trái Yaw xuất hiện khi vào cua và khi bị ảnh hưởng bởi lực gió bên (gió tạt ngang)

Hình 2.6:Góc Yaw của xe ô tô

2.2 Tổng hoạt động của CAN

2.2.1 Giới thiệu về CAN

CAN-Controller Area Network là một giao thức truyền thông bus nối tiếp Trước khi gửi thông điệp, nút CAN sẽ kiểm tra xem bus có bận không Nó cũng sử dụng để phát hiện

khả năng trùng lặp Những phương thức này cũng tương tự như Ethernet Tuy nhiên, khi

một mạng Ethernet phát hiện xung đột, cả hai nút gửi sẽ ngừng truyền Sau đó, nó đợi một khoảng thời gian trễ ngẫu nhiên trước khi thử gửi lại Điều này làm cho mạng Ethernet rất nhạy cảm với tải bus cao Có thể giải quyết vấn đề này với nguyên tắc xác định quyền ưu tiên rất thông minh trong mạng CAN

bỏ qua

ID & Trường xác định quyền ưu tiên (Arbitration Field)

ID là duy nhất và cũng để xác định mức độ ưu tiên của thông điệp Giá trị số của mã

ID càng thấp thì mức độ ưu tiên càng cao Điều này cho phép phân xử nếu hai (hoặc nhiều) nút cạnh tranh để truy cập vào bus cùng một lúc

Thông điệp có mức độ ưu tiên cao hơn được đảm bảo có được quyền truy cập bus như thể nó là thông điệp duy nhất được truyền đi Các thông điệp có mức ưu tiên thấp hơn

sẽ tự động được truyền lại trong chu kỳ bus tiếp theo hoặc trong một chu kỳ bus tiếp theo nếu vẫn còn các thông điệp khác mà có mức ưu tiên cao hơn đang chờ được gửi

Mỗi thông điệp trong CAN có một mã ID là 11 bit (A) hoặc 29 bit (B) ID này là phần nguyên tắc của Arbitration Field trong CAN, trường này nằm ở đầu mỗi thông điệp CAN

ID xác định loại thông điệp, nhưng cũng là mức độ ưu tiên của thông điệp

Các bit trong thông điệp mạng CAN có thể được gửi ở dạng cao hoặc thấp Các bit thấp luôn chiếm ưu thế, có nghĩa là nếu một nút cố gắng gửi mức thấp và nút khác cố gửi mức cao, kết quả trên các bus sẽ là mức thấp Một nút truyền luôn lắng nghe trên bus trong khi truyền Một nút gửi mức cao trong Arbitration Field và phát hiện mức thấp biết rằng

nó đã mất quyền ưu tiên Nó ngừng truyền, để cho nút khác, với một thông điệp có mức độ

ưu tiên cao hơn, tiếp tục mà không bị gián đoạn

Hai nút trên mạng không được phép gửi thông điệp có cùng ID Nếu hai nút cố gắng gửi một thông điệp với cùng một ID tại cùng một thời điểm, trường xác định quyền ưu tiên

sẽ không hoạt động Thay vào đó, một trong các nút truyền sẽ phát hiện ra rằng thông điệp của nó bị bóp méo bên ngoài Arbitration Field Sau đó, các nút sẽ sử dụng trường xử lý lỗi của CAN, trong trường hợp này, cuối cùng sẽ dẫn đến việc một trong các nút truyền bị tắt (chế độ tắt bus)

Các loại CAN Frame: Dữ liệu CAN được truyền dưới dạng các Frame (khung) Có

4 loại Frame khác nhau, đó là:

Data Frame (khung dữ liệu): Là khung mang dữ liệu từ một bộ truyền dữ liệu đến

các bộ nhận dữ liệu Khung này có vùng để mang các byte dữ liệu

Remote Frame (khung yêu cầu hay điều khiển): Là khung được truyền từ một

Node bất kỳ để yêu cầu dữ liệu từ Node khác Khi Node khác đó nhận được yêu cầu

sẽ truyền lại dữ liệu có ID (Identifier) trùng với ID được gửi trong Remote Frame

Error Frame (khung lỗi): Là khung được truyền bởi bất kỳ Node nào khi Node đó

phát hiện lỗi từ Bus

Overflow Frame (khung báo tràn): Mỗi Node trong CAN Bus có thể truyền bất kỳ

khi nào nếu phát hiện Bus rảnh Hoặc nếu một Node nhận quá nhiều dữ liệu và không xử

lý kịp, nó sẽ gửi Frame này để các Node khác không gửi thêm dữ liệu cho nó

Data Frame và Remote Frame làm việc theo cơ chế phân xử quyền ưu tiên của tín hiệu vì thế cấu trúc của chúng có vùng phân xử quyền ưu tiên, nơi chứa ID của khung Và chúng có hai định dạng khác nhau là định dạng chuẩn (Standard) và định dạng mở rộng (Extended):

 Định dạng khung chuẩn sử dụng ID có độ dài 11 bit

 Định dạng khung mở rộng sử dụng ID có độ dài 29 bit

Các loại giao thức CAN

Giao thức CAN hiện có: CAN 2.0, CAN FD Sự khác biệt giữa các loại giao thức CAN nằm trong cấu trúc của các loại khung (Frame) Trong khuôn khổ báo cáo, chúng ta chỉ tập trung vào giao thức CAN 2.0

Giao thức CAN hỗ trợ hai định dạng Data Frame:

 CAN tiêu chuẩn (CAN 2.0A) – Standard Data Frame

 CAN mở rộng (CAN 2.0B) – Extended Data Frame

Hầu hết các CAN 2.0A chỉ truyền và nhận các thông điệp định dạng chuẩn, mặc dù một số (2.0B Passive) sẽ nhận các thông điệp định dạng mở rộng nhưng sau đó bỏ qua chúng CAN 2.0B có thể gửi và nhận thông điệp ở cả hai định dạng

Hình 2.7: Khung dữ liệu (Data frame) của mạng CAN CAN 2.0A

Hình 2.8: Khung dữ liệu của mạng CAN 2.0A – khung tiêu chuẩn

Data Frame CAN (Phiên bản 2.0A) tiêu chuẩn bao gồm bảy trường bit khác nhau:

1 Trường bắt đầu khung (Start Of Frame Field – SOF): Với cả 2 định dạng của

chuẩn CAN 2.0 thì trường bắt đầu là vị trí của bit đầu tiên trong khung Trường này chiếm

1 bit dữ liệu Bit đầu tiên này là một Dominant Bit (mức logic 0) đánh dấu sự bắt đầu của một Data Frame

2 Trường xác định quyền ưu tiên (Arbitration Field): Định dạng vùng xác định

quyền ưu tiên là khác nhau đối với dạng khung chuẩn và khung mở rộng

 Định dạng chuẩn: Vùng xác định quyền ưu tiên có độ dài 12 bit, bao gồm 11 bit ID

và 1 bit RTR

 Định dạng mở rộng: Trường xác định quyền ưu tiên có độ dài 32 bit, bao gồm có

29 bit ID, 1 bit SRR, 1 bit IDE và 1 bit RTR

Trong đó:

Bit RTR (Remote Transmission Request)

Là bit dùng để phân biệt khung là Data Frame hay Remote Frame

Nếu là Data Frame, bit này luôn bằng 0 (Dominant Bit – Bit ưu tiên)

Nếu là Remote Frame, bit này luôn bằng 1 (Recessive Bit – Bit lặn)

Vị trí bit này luôn nằm sau bit ID

Trường hợp nếu Data Frame và Remote Frame có cùng ID được gửi đi đồng thời thì Data Frame sẽ được ưu tiên hơn

Bit SRR (Substitute Remote Request)

Bit này chỉ có ở khung mở rộng

Bit này có giá trị là 1 (Recessive Bit – Bit lặn)

So với vị trí tương ứng trong khung chuẩn thì bit này trùng với vị trí của bit RTR nên còn được gọi là bit thay thế (Substitute)

Giả sử có hai Node cùng truyền, một Node truyền Data Frame chuẩn, một Node truyền Data Frame mở rộng có ID giống nhau thì Node truyền khung chuẩn sẽ thắng phân

xử quyền ưu tiên vì đến vị trí sau ID, khung chuẩn là bit RTR = 0, còn khung mở rộng là bit SRR = 1 Như vậy, khung chuẩn chiếm ưu thế hơn so với khung mở rộng khi có ID như nhau

Bit IDE (Identifier Extension)

Đây là bit phân biệt giữa loại khung chuẩn và khung mở rộng: IDE = 0 quy định khung chuẩn, IDE = 1 quy định khung mở rộng

Bit này nằm ở trường xác định quyền ưu tiên với khung mở rộng và ở trường điều khiển với khung chuẩn

3 Trường điều khiển (Control Field): Khung chuẩn và khung mở rộng có định

 Khung chuẩn gồm IDE, r0 và DLC (Data Length Code)

 Khung mở rộng gồm r1, r0 và DLC

Trong đó:

Bit IDE: Dùng phân biệt loại khung (đã được trình bày ở trên)

Bit r0, r1 (hai bit dự trữ): Tuy hai bit này phải được truyền là Recessive Bit bởi bộ

truyền nhưng bộ nhận không quan tâm đến giá trị 2 bit này Bộ nhận có thể nhận được các

tổ hợp 00, 01, 10 hoặc 11 của r1 và r0 nhưng không coi đó là lỗi mà bỏ qua và nhận thông điệp bình thường

DLC (Data Length Code)

Có độ dài 4 bit quy định số byte của trường dữ liệu của Data Frame

Chỉ được mang giá trị từ 0 đến 8 tương ứng với trường dữ liệu có từ 0 đến 8 byte

dữ liệu Data Frame có thể không có byte dữ liệu nào khi DLC = 0

Giá trị lớn hơn 8 không được phép sử dụng

4 Trường dữ liệu (Data Field): Trường này có độ dài từ 0 đến 8 byte tùy vào giá trị của DLC ở trường điều khiển

5 Trường kiểm tra (Cyclic Redundancy Check Field – CRC): Trường kiểm tra hay trường CRC gồm 16 bit và được chia làm hai phần là:

 CRC Sequence: gồm 15 bit CRC tuần tự

 CRC Delimiter: là một Recessive Bit làm nhiệm vụ phân cách trường CRC với trường ACK

 Mã kiểm tra CRC phù hợp nhất cho các khung mà chuỗi bit được kiểm tra có chiều dài dưới 127 bit, mã này thích hợp cho việc phát hiện các trường hợp sai nhóm (Bus Error)

Ở đây, tổng bit từ trường bắt đầu (SOF) đến trường dữ liệu (Data Field) tối đa là 83 bit (khung định dạng chuẩn) và 103 bit (khung định dạng mở rộng)

=> Trường CRC bảo vệ thông tin trong Data Frame và Remote Frame bằng cách thêm các bit kiểm tra dự phòng ở đầu khung truyền Ở đầu khung nhận, cũng sẽ tính toán CRC như bộ truyền khi đã nhận dữ liệu và so sánh kết quả đó với CRC Sequence mà nó đã nhận được, nếu khác nhau tức là đã có lỗi, nếu giống nhau tức là đã nhận đúng từ trường SOF đến trường dữ liệu

6 Trường báo nhận (Acknowledge Field – ACK): Trường báo nhận hay trường ACK có độ dài 2 bit và bao gồm hai phần là ACK Slot và ACK Delimiter

 ACK Slot: có độ dài 1 bit, một Node truyền dữ liệu sẽ thiết lập bit này là Recessive Khi một hoặc nhiều Node nhận chính xác giá trị thông điệp (không có lỗi và đã so sánh CRC Sequence trùng khớp) thì nó sẽ báo lại cho bộ truyền bằng cách truyền ra một Dominant Bit ngay vị trí ACK Slot để ghi đè lên Recessive Bit của bộ truyền

 ACK Delimiter: có độ dài 1 bit, nó luôn là một Recessive Bit Như vậy, ta thấy rằng ACK Slot luôn được đặt giữa hai Recessive Bit là CRC Delimiter và ACK Delimiter

7 Trường kết thúc (End Of Frame Field – EOF): Trường EOF là trường thông báo kết thúc một Data Frame hay Remote Frame Trường này gồm 7 Recessive Bit CAN 2.0B

Hình 2.9: Khung dữ liệu của mạng CAN 2.0B – khung mở rộng

Định dạng CAN 2.0B cung cấp mã ID 29 bit so với mã ID 11 bit trong 2.0A

Phiên bản 2.0B được phát triển để cung cấp khả năng tương thích với các giao thức truyền thông nối tiếp khác được sử dụng trong các ứng dụng ô tô ở Hoa Kỳ Để phục vụ cho việc này và vẫn cung cấp khả năng tương thích với định dạng 2.0A, Data Frame phiên bản 2.0B có định dạng mở rộng

Sự khác biệt giữa CAN 2.0A & CAN 2.0B:

 Trong phiên bản 2.0B Arbitration Field chứa hai trường bit ID Đầu tiên (ID cơ sở) dài mười một (11) bit để tương thích với Phiên bản 2.0A Trường thứ hai (phần mở rộng ID) dài mười tám (18) bit, để cho tổng độ dài là hai mươi chín (29) bit

 Sự phân biệt giữa hai định dạng được thực hiện bằng cách sử dụng bit ID mở rộng (IDE)

 Một bit Substitute Remote Request (SRR) được bao gồm trong Arbitration Field Bit SRR luôn được truyền dưới dạng Recessive Bit để đảm bảo rằng, trong trường hợp phân xử giữa Khung dữ liệu chuẩn và Khung dữ liệu mở rộng, Khung dữ liệu chuẩn sẽ luôn được ưu tiên nếu cả hai thông điệp có cùng số nhận dạng cơ sở (11 bit)

Tất cả các trường khác trong Data Frame 2.0B giống hệt với các trường ở Standard Data Frame

Khả năng tương thích 2.0A và 2.0B

CAN 2.0B hoàn toàn tương thích ngược với CAN 2.0A và có thể truyền và nhận thông điệp ở một trong hai định dạng Tuy nhiên, lưu ý rằng có hai loại CAN 2.0A:

 Loại đầu tiên chỉ có khả năng truyền và nhận thông điệp ở định dạng 2.0A Với loại CAN 2.0 này, việc nhận bất kỳ thông điệp 2.0B nào sẽ gắn cờ lỗi

 Loại thứ hai của CAN 2.0A (2.0B Passive) cũng có khả năng gửi và nhận thông điệp 2.0A, nhưng ngoài ra, các thiết bị này sẽ xác nhận đã nhận thông điệp 2.0B và sau đó

Remote Frame (khung yêu cầu hay điều khiển)

Bên cạnh Data Frame được sử dụng để vận chuyển dữ liệu, còn có Remote Frame – loại khung này được sử dụng để yêu cầu dữ liệu, tức là Data Frame, từ bất kỳ Node nào trên cùng Bus Tuy nhiên, các khung này hầu như không được sử dụng trong các ứng dụng

ô tô, vì việc truyền dữ liệu không dựa trên yêu cầu, mà chủ yếu dựa trên sự chủ động của thông tin từ thông số kỹ thuật của ô tô đó

Remote Frame giống như Data Frame, nó có hai điểm khác biệt quan trọng:

Nó được đánh dấu rõ ràng là Remote Frame (bit RTR trong trường xác định quyền

ưu tiên là Recessive Bit, ở Data Frame nó là một Dominant Bit)

Không có trường dữ liệu

Remote Frame có thể được truyền ở cả 2 định dạng tiêu chuẩn và định dạng mở rộng

Và có cấu trúc gồm 6 trường bit như Data Frame (chỉ không có trường dữ liệu – Data Field)

Tùy thuộc vào việc triển khai mạng CAN, phản hồi có thể được gửi tự động Bộ điều khiển CAN đơn giản (BasicCAN) không thể phản hồi tự động Trong trường hợp này, bộ

vi điều khiển Master nhận biết được yêu cầu từ xa và phải gửi dữ liệu chủ động

ISO 11898

Các mức điện áp cho mạng CAN tuân theo tiêu chuẩn ISO 11898 (CAN tốc độ cao) được mô tả:

Bảng 2.2: Các mức điện áp mạng CAN theo tiêu chuẩn 11898 (CAN tốc độ cao)

Tối thiểu (V)

Bình thường (V)

Tối đa (V)

Tối tiểu (V)

Bình thường (V)

Tối đa (V)

Lưu ý rằng đối với trạng thái recessive, điện áp định mức cho hai dây là như nhau Điều này làm giảm công suất thu được từ các nút thông qua các điện trở kết thúc Các điện trở này là 120ohm và nằm trên mỗi đầu của dây dẫn Một số người đã thử với việc sử dụng các điện trở kết cuối trung tâm (nghĩa là đặt chúng ở một nơi trên bus) Điều này không được khuyến khích, vì cấu hình đó sẽ không ngăn chặn các vấn đề dội tín hiệu

ISO 11519

Các mức điện áp cho mạng CAN tuân theo tiêu chuẩn ISO 11519 (CAN tốc độ thấp) được mô tả trong bảng dưới đây:

Bảng 2.3: Các mức điện áp mạng CAN theo tiêu chuẩn 11519 (CAN tốc độ thấp)

Tối thiểu (V)

Bình thường (V)

Tối đa (V)

Tối tiểu (V)

Bình thường (V)

Tối đa (V)

Chiều dài bus

Chiều dài bus tối đa cho mạng CAN phụ thuộc vào tốc độ bit được sử dụng Yêu cầu

là mặt trước sóng của tín hiệu bit phải có thời gian để di chuyển đến nút ở xa nhất và quay trở lại trước khi bit được lấy mẫu Điều này có nghĩa là chiều dài bus với tốc độ bit được

sử dụng tối ưu, và nên chọn điểm lấy mẫu một cách cẩn thận

Dưới đây là bảng các độ dài bus khác nhau và tốc độ bit tối đa tương ứng

Bảng 2.4: Các độ dài bus khác nhau và tốc độ bit tối đa tương ứng