(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế mô hình giảng dạy hệ thống truyền dữ liệu qua mạng Can(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế mô hình giảng dạy hệ thống truyền dữ liệu qua mạng Can(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế mô hình giảng dạy hệ thống truyền dữ liệu qua mạng Can(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế mô hình giảng dạy hệ thống truyền dữ liệu qua mạng Can(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế mô hình giảng dạy hệ thống truyền dữ liệu qua mạng Can(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế mô hình giảng dạy hệ thống truyền dữ liệu qua mạng Can(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế mô hình giảng dạy hệ thống truyền dữ liệu qua mạng Can(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế mô hình giảng dạy hệ thống truyền dữ liệu qua mạng Can(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế mô hình giảng dạy hệ thống truyền dữ liệu qua mạng Can(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế mô hình giảng dạy hệ thống truyền dữ liệu qua mạng Can(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế mô hình giảng dạy hệ thống truyền dữ liệu qua mạng Can(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế mô hình giảng dạy hệ thống truyền dữ liệu qua mạng Can(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế mô hình giảng dạy hệ thống truyền dữ liệu qua mạng Can(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế mô hình giảng dạy hệ thống truyền dữ liệu qua mạng Can(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế mô hình giảng dạy hệ thống truyền dữ liệu qua mạng Can(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế mô hình giảng dạy hệ thống truyền dữ liệu qua mạng Can(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế mô hình giảng dạy hệ thống truyền dữ liệu qua mạng Can
QUAN
Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
Ngày nay, các hệ thống điều khiển được chia thành nhiều cụm khác nhau và điều khiển bởi các máy tính riêng biệt, dẫn đến việc tăng số lượng dây dẫn và cảm biến, gây khó khăn trong công tác chẩn đoán và sửa chữa Chính những thách thức này đã thúc đẩy sự phát triển của các hệ thống mạng điều khiển, trong đó có mạng CAN Mạng CAN (Controller Area Network) là công nghệ mạng liên kết tiếp, được phát triển bởi Robert Bosch GmbH vào những năm đầu của thập niên 1980, nhằm nâng cao khả năng truyền thông giữa các bộ phận hành trình trong các hệ thống điều khiển phức tạp.
Mạng CAN, ra đời từ năm 1980, ban đầu được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp tự động hóa và ô tô, xe tải Hiện nay, mạng CAN đã chứng minh tính ưu việt trong nhiều lĩnh vực khác như hàng không, vũ trụ, y học và các thiết bị gia đình như máy giặt, máy sấy Mạng CAN có lợi thế là hệ thống kênh ghép nối tiếp giúp giảm thiểu số dây dẫn, tăng cường khả năng điều khiển, giảm cảm biến, dễ dàng trong việc phát hiện lỗi và hỗ trợ chẩn đoán, sửa chữa.
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài 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
Bài viết này tập trung vào sự phát triển của các mạng liên kết trên ô tô và các tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan Các ECU trong xe ngày càng được kết nối thông qua các mạng thông tin đa dẫn, nổi bật là mạng CAN (Controller Area Network) được sử dụng làm đường truyền chính Ngoài ra, mạng LIN (Local Interconnect Network) được sử dụng như đường truyền phụ, kết nối các thành phần nhỏ hơn với hệ thống chính thông qua cổng Gateway.
+ Mathony, H., Kaiser, K., and Unruh, J., "Network Architecture for CAN,"
Cấu trúc mạng CAN gồm các lớp thông tin liên lạc và bộ phận quản lý mạng, đảm bảo truyền tải dữ liệu hiệu quả qua các thiết bị phân phối Các module của hệ thống hỗ trợ thiết kế thông tin liên lạc và phần mềm quản lý mạng, phù hợp với các yêu cầu chức năng khác nhau của ứng dụng Phương pháp tiếp cận này giúp tối ưu hóa sự thích ứng của hệ thống mạng theo yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng.
+ Alvarenga, C., "Multiplexing in Automobiles - An Application Example of the CAN Protocol," SAE Technical Paper 921504, 1992
Công nghệ truyền thông trong ô tô cho phép truyền và nhận phản hồi thông tin trên xe, sử dụng các đặc điểm tương tự mạng cục bộ (LAN) dựa trên vi điều khiển Công nghệ này thường được gọi là công nghệ ghép kênh (multiplexing), giúp tối ưu hóa việc truyền dữ liệu trên các hệ thống xe hơi Nghiên cứu chi tiết về hệ thống ghép kênh sử dụng giao thức CAN cho thấy khả năng ứng dụng thành công trong các dự án ô tô tại Brazil, nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống truyền thông trong xe.
+ Wang Xing, Huiyan Chen và Huarong Ding, “The Application of CAN on vehicle”, Beijing Institute of Technology Vehicle Engineering College, Beijing
Mạng CAN nổi bật với đặc điểm chính là khả năng truyền dữ liệu hiệu quả và độ tin cậy cao, phù hợp cho các hệ thống điều khiển ô tô So sánh với mạng BITBUS của Intel, CAN có tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn và khả năng mở rộng tốt hơn trong các ứng dụng trên xe Ứng dụng của mạng CAN được sử dụng rộng rãi trong xe Jaguar để kiểm soát các hệ thống điện tử, cũng như trong hệ thống quản lý năng lượng cho xe điện nhằm tối ưu hiệu suất hoạt động Ngoài ra, CAN còn được sử dụng trong điều khiển hệ thống treo, giúp nâng cao trải nghiệm lái xe và đảm bảo an toàn.
+ 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 phân tích thời gian đáp ứng khi truyền một thông điệp trong mạng CAN, giúp hiểu rõ hiệu suất truyền tải dữ liệu trong hệ thống Qua bảng kết quả thực nghiệm, bài viết trình bày rõ ràng về thời gian truyền của các loại thông điệp khác nhau, cung cấp thông tin quan trọng để tối ưu hóa mạng CAN Kết quả này hỗ trợ các kỹ sư trong việc chọn lựa loại thông điệp phù hợp nhằm đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống truyền thông tự động.
1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Với sự phát triển của công nghệ ô tô toàn cầu, ngành công nghệ ô tô trong nước cũng đã có những bước tiến đáng kể Ban đầu, những nghiên cứu này chủ yếu xuất phát từ các dự án của sinh viên và kỹ sư tại các trường đại học, góp phần thúc đẩy tiến bộ trong lĩnh vực Một số đề tài nổi bật đã được thực hiện trong đó bao gồm các giải pháp tối ưu hóa khí thải, phát triển ô tô điện và cải tiến hệ thống an toàn Những nghiên cứu này đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng lực và đổi mới công nghệ ô tô trong nước, hướng tới mục tiêu cạnh tranh quốc tế.
Nghiên cứu này tập trung vào thiết kế và chế tạo máy chẩn đoán OBD-2, do nhóm sinh viên Nghiêm Trung Hiếu và Bùi Vân Hoàng thực hiện trong khuôn khổ luận văn đại học tháng 03 năm 2012 tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Dự án do PGS.TS Đỗ Vân Dũng hướng dẫn và nhằm phát triển công nghệ chẩn đoán ô tô hiệu quả, chính xác hơn.
- Hình thành cơ sở lý thuyết về máy chẩn đoán OBD-2 sử dụng chuẩn giao tiếp CAN
- Chế tạo mô hình máy chẩn đoán OBD-2 chuẩn giao tiếp CAN sử dụng giao diện LabVIEW
Hệ thống CAN (Controller Area Network) là công nghệ mạng truyền thông nội bộ trong xe, giúp các thiết bị kết nối và trao đổi dữ liệu một cách hiệu quả Dự án được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Chí Công (MSSV: 09305004) và Nguyễn Văn Minh (MSSV: 09305031) trong khuôn khổ luận văn đại học tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM vào tháng 01 năm 2011 Dưới sự hướng dẫn của ThS Nguyễn Văn Long, giảng viên hướng dẫn, bài viết nêu bật vai trò của hệ thống CAN trong việc nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của các hệ thống truyền thông trong ô tô.
- 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
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
- 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 + H ệ th ố ng truy ề n d ữ li ệ u Multiplex và CAN trên ô tô – H ọ c viên th ự c hi ệ n:
V ũ Th ị Thu Hi ề n – Lu ậ n v ă n Th ạ c s ĩ n ă m 2013, Giáo viên h ướ ng d ẫ n: PGS.TS ĐỖ V Ă N D Ũ NG – Tr ườ ng Đạ i h ọ c S ư Ph ạ m K ỹ Thu ậ t Tp HCM
- Cơ sở lý thuyết của hệ thống truyền dữ liệu Multiplex và CAN trên ô tô
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Mục tiêu và đối tượng 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 mô hình
- Nghiên cứu các loại hệ thống truyền dữ liệu
- Nghiên cứu chuẩn giao tiếp CAN
- Nghiên cứu mạch vi điều khiển họ PIC18F
Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu
1.4.1 Nhiệm vụ của đề tài
Hệ thống truyền dữ liệu qua mạng CAN ra đời vào những năm đầu thập niên 90 nhằm giải quyết các vấn đề về truyền thông trong hệ thống điện của xe, đảm bảo tốc độ truyền tải cao và độ chính xác cực kỳ thấp Từ năm 2007, tất cả các loại xe ô tô nhập khẩu vào Mỹ đều bắt buộc phải trang bị mạng CAN để đảm bảo tiêu chuẩn về hệ thống điều khiển và an toàn của xe.
Trong thị trường ô tô Việt Nam, các mẫu xe mới của Hyundai, Toyota và các hãng nổi bật khác đều sử dụng mạng CAN để truyền dữ liệu Tuy nhiên, hệ thống truyền dữ liệu qua mạng CAN vẫn còn khá mới mẻ đối với sinh viên, kỹ thuật viên và người sửa chữa ô tô tại Việt Nam do tài liệu bằng tiếng Việt rất ít, gây khó khăn trong việc học hỏi và chẩn đoán sửa chữa Đề tài này nhằm nghiên cứu cơ sở lý thuyết của hệ thống truyền dữ liệu qua mạng CAN trên ô tô, phân tích hoạt động của hệ thống trên các dòng xe cụ thể và thiết kế mô hình giảng dạy giúp sinh viên dễ dàng tiếp cận công nghệ mới Việc thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống truyền dữ liệu qua mạng CAN phục vụ công tác đào tạo và nâng cao kỹ năng chẩn đoán sửa chữa các hệ thống điện trên xe ô tô, góp phần thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô tại Việt Nam.
1.4.2 Phạm vi nghiên cứu Đề tài giới hạn nghiên cứu hệ thống truyền dữ liệu CAN trên xe và chế tạo mô hình hệ thống truyền dữ liệu CAN điều khiển hệ thống tín hiệu, hỗ trợ lùi.
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.
SỞ LÝ THUYẾT HỆ THỐNG TRUYỀN DỮ LIỆU CAN TRÊN Ô TÔ
Tổng quát về mạng CAN (Controller Area Network)
Hình 2.1: S ơ đồ t ổ ng quát h ệ th ố ng CAN (Controller Area Network) trên xe
Controller Area Network (CAN) là giao thức giao tiếp nối tiếp mạnh mẽ, được thiết kế để hỗ trợ các hệ thống điều khiển thời gian thực phân bố (Distributed Realtime Control System) CAN đảm bảo độ ổn định cao, khả năng bảo mật tối ưu và khả năng chống nhiễu tốt nhất, phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp và tự động hóa hiện đại.
Hệ thống mạng CAN lần đầu tiên được phát triển bởi nhà cung cấp phụ tùng ô tô Đức Robert Bosch vào giữa những năm 1980 nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về an toàn, tiện nghi, giảm khí thải ô nhiễm và tiết kiệm năng lượng trong ngành công nghiệp ô tô Mục đích chính của CAN là làm cho các hệ thống điện tử phức tạp trở nên an toàn, ổn định, tiết kiệm nhiên liệu, đồng thời giảm thiểu việc đi dây chằng chịt, đơn giản hóa hệ thống và giảm chi phí sản xuất.
Ngay từ khi ra đời, CAN đã được chấp nhận rộng rãi và ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp như chế tạo ô tô, máy nông nghiệp, tàu ngầm, dụng cụ y khoa và máy dệt Nhờ tính hiệu quả, ổn định, đơn giản và chi phí thấp, CAN ngày càng trở thành chuẩn kết nối phổ biến Nó được sử dụng để truyền dữ liệu lớn, tốc độ cao và đáp ứng tốt yêu cầu thời gian thực trong nhiều môi trường khác nhau, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và vận hành trong nhiều ngành công nghiệp.
Ngày nay, CAN đã được chuẩn hóa thành tiêu chuẩn ISO 11898, giúp việc tích hợp và sử dụng trong các hệ thống trở nên dễ dàng hơn nhờ sự hỗ trợ từ các nhà sản xuất chip lớn như Intel, NEC, Siemens, Motorola, Maxin IC, Fairchild, Microchip, Philips, Mitsubishi, Hitachi, ST Micro, v.v Chuẩn CAN nổi bật với tính ổn định và an toàn, nhờ vào cơ chế phát hiện và xử lý lỗi cực mạnh, giúp hầu hết các lỗi trong tin nhắn CAN được phát hiện kịp thời Theo thống kê, xác suất để một message CAN bị lỗi mà không được phát hiện là rất thấp, đảm bảo độ tin cậy cao cho hệ thống truyền thông trong ô tô, công nghiệp và các ứng dụng khác.
Hình 2.2: Tính ổ n đị nh c ủ a CAN
Giả sử cứ mỗi 0,7 giây, môi trường tác động lên đường truyền CAN gây lỗi 1 bit, trong khi tốc độ truyền dữ liệu đạt 500 Kbit/s Trong suốt 8 giờ hoạt động hàng ngày, tần suất lỗi này có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất truyền thông và độ tin cậy của hệ thống Hiểu rõ các yếu tố này giúp chúng ta đánh giá khả năng chịu lỗi của mạng CAN trong các ứng dụng công nghiệp và thiết kế các biện pháp phòng tránh phù hợp.
365 ngày/năm thì trong vòng 1000 năm, trung bình sẽ có 1 frame lỗi bị lỗi mà không được phát hiện
Hệ thống mạng CAN có phạm vi ứng dụng đa dạng, từ mạng tốc độ cao để điều khiển các hệ thống quan trọng như hệ thống điện ô tô, xe tải, và hộp điều khiển động cơ, đến các mạng giá rẻ, linh hoạt để kết nối các thiết bị phụ như cảm biến, thiết bị y tế và PLC Trong ngành công nghiệp ô tô hiện đại, CAN đã trở thành thành phần không thể thiếu, với mạng CAN high speed dùng để điều khiển động cơ và hệ thống phanh, trong khi mạng CAN low speed được sử dụng để quản lý các thiết bị phụ như kính chiếu hậu và đèn bật tắt.
Hình 2.3: Ứ ng d ụ ng m ạ ng CAN trong đ i ề u khi ể n ô tô
Trong lĩnh vực công nghiệp, chuẩn Field Bus như CANopen và J1939 thường sử dụng chuẩn CAN mở rộng, với Physical Layer và MAC sub-layer đều dựa trên công nghệ CAN.
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:
Công nghệ cáp của mạng CAN sử dụng đường dây dẫn đơn giản giúp giảm thiểu hiện tượng nhiễu tín hiệu Tín hiệu truyền qua cặp dây chuyền tín hiệu vi sai, đo sự khác nhau giữa hai dây CANH và CANL để đảm bảo truyền dữ liệu chính xác Để đảm bảo ổn định, đường dây Bus kết thúc bằng các điện trở có giá trị 120 Ohm, với phạm vi từ 108 Ohm đến 132 Ohm tại mỗi đầu kết nối.
Mạng CAN gồm các Nodes, trong đó mỗi Node có khả năng giao tiếp với bất kỳ Nodes nào khác trong mạng Giao tiếp được thực hiện thông qua việc truyền và nhận các gói dữ liệu gọi là thông điệp Mỗi loại thông điệp trong mạng CAN đều được gán một ID – số định danh – thể hiện mức độ ưu tiên của thông điệp đó, đảm bảo quá trình truyền dữ liệu diễn ra một cách linh hoạt và hiệu quả.
Hệ thống mạng CAN là loại Message Base System, khác với Address Base System, khi mỗi loại thông điệp được gán một ID riêng biệt Trong khi hệ thống Address Base gán ID cho từng Node, hệ thống Message Base mang tính mở hơn, cho phép thêm hoặc bớt Node mà không ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống Nhiều Node có thể cùng nhận và thực hiện một nhiệm vụ, tạo điều kiện cho hệ thống điều khiển phân bố linh hoạt và dễ mở rộng Điều này giúp hệ thống mạng CAN dễ dàng thay đổi, không cần thiết kế lại toàn bộ khi có sự điều chỉnh hoặc mở rộng.
Trong hệ thống phân bố, mỗi Node có khả năng tiếp nhận nhiều loại thông điệp khác nhau, đồng thời một thông điệp có thể được gửi tới nhiều Nodes cùng lúc Quá trình này đảm bảo công việc được thực hiện một cách đồng bộ và hiệu quả, tối ưu hóa hoạt động của hệ thống phân phối dữ liệu và dịch vụ.
ID của thông điệp phản ánh mức độ ưu tiên, giúp phân tích thời gian đáp ứng của từng thông điệp quan trọng trong hệ thống nhúng thời gian thực Trước khi có mạng CAN, mạng Token Ring chậm chạp là phương án duy nhất cho hệ thống giao tiếp trong các thiết bị thời gian thực Việc sử dụng ID phù hợp giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ trễ của hệ thống.
Hình 2.6: Mô hình m ạ ng CAN
Tiêu chuẩn ISO 11898 xác định hai lớp chính trong mô hình truyền thông là Physical layer và Data Link layer Lớp Physical layer chịu trách nhiệm định nghĩa cách biểu diễn và thu nhận các bit 0, bit 1, cũng như cách thiết lập thời gian và quá trình đồng bộ hóa để đảm bảo truyền dữ liệu chính xác.
Lớp Data Link được chia thành hai phần nhỏ là Logic Link Control (LLC) và Medium Access Control (MAC) Trong đó, LLC chịu trách nhiệm định nghĩa khung dữ liệu (frame) truyền qua mạng, còn MAC xác định các nguyên tắc truy cập môi trường truyền để tránh xung đột, đảm bảo các thông điệp không đồng thời truyền gây nhiễu lẫn nhau.
Hình 2.7: Các l ớ p layer giao ti ế p
Chuẩn CAN quy định nhiều cơ chế kiểm tra và xử lý lỗi để đảm bảo truyền thông tin chính xác, bao gồm năm loại lỗi chính: Bit Error, Stuff Error, CRC Error, Form Error và ACK Error Các cơ chế này giúp phát hiện và xử lý lỗi nhanh chóng, nâng cao độ tin cậy của hệ thống truyền dữ liệu.
Trong mạng CAN, mỗi bit được mã hóa bằng phương pháp None–return–to–zero (NRZ), giúp duy trì mức điện áp ổn định trong suốt quá trình truyền dữ liệu Quá trình này đảm bảo rằng giá trị của từng bit không đổi trong suốt thời gian truyền, nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của tín hiệu Phương pháp NRZ giúp giảm thiểu nhiễu và tăng khả năng phát hiện lỗi trong hệ thống truyền thông CAN.
Một trong những ưu điểm nổi bật của mã hóa NRZ là mức của bit được duy trì liên tục trong suốt quá trình truyền dữ liệu Tuy nhiên, điều này có thể gây ra vấn đề về độ ổn định khi có một chuỗi dài các bit giống nhau liên tiếp Để khắc phục tình trạng này, kỹ thuật Bit Stuffing tự động chèn một bit có giá trị ngược lại sau mỗi chuỗi 5 bit liên tiếp trong quá trình truyền, đảm bảo tính ổn định và đồng bộ của tín hiệu.
Time Quantum là đơn vị nhỏ nhất để đo thời gian trong hệ thống, phản ánh một phân số của thời gian dao động của Bus Thời gian này đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý hoạt động truyền dữ liệu, với một bit thường có khoảng từ 8 đến 25 quanta, giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ chính xác của quá trình truyền dữ liệu trong hệ thống.
Hình 2.10: Gi ả n đồ th ờ i gian
2.2.2.4Độ dài của một Bus Độ dài của một Bus phụ thuộc vào những thông 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: T ố c độ t ỉ l ệ ngh ị ch v ớ i độ dài Bus
B ả ng 2.1: V ậ n t ố c – Độ dài – Bit time
Các module kết nối vào Bus CAN cần được hỗ trợ với tốc độ tối thiểu là 20Kbit/s để đảm bảo hoạt động ổn định Đối với các bus có chiều dài hơn 200 mét, bắt buộc phải sử dụng Optocoupleur để giảm nhiễu và duy trì tín hiệu Đối với các bus dài hơn 1 km, cần thiết phải áp dụng các hệ thống trung gian như Repeater hoặc Bridge để mở rộng khoảng cách truyền tải một cách hiệu quả và đảm bảo tín hiệu không bị suy giảm.
2.2.2.5Trạng thái “Dominant” và “Recessive” Ở lớp vật lý, Bus CAN định nghĩa hai trạng thái là “dominant” và
Trạng thái "recessive" tương ứng với hai giá trị là 0 và 1, trong khi trạng thái "dominant" có ưu thế hơn Bus chỉ duy trì ở trạng thái "recessive" khi không có Node nào phát đi tín hiệu "dominant", giúp giảm xung đột trong mạng lưới Điều này tạo ra khả năng xử lý tranh chấp hiệu quả khi có nhiều Master cùng muốn chiếm quyền sử dụng Bus.
Bởi tính chất vật lý của Bus, cần thiết phải phân biệt 2 dạng truyền:
Bảng 3.1 sau tổng kết những tính chất cơ bản khác nhau giữa 2 dạng, đặc biệt là tốc độ:
B ả ng 2.2: So sánh CAN low speed và CAN high speed
Hình 2.12: Đ i ệ n áp c ủ a CAN low speed
Hình 2.13: Đ i ệ n áp c ủ a CAN high speed
Vì tính chất vi sai của đường truyền tín hiệu Bus CAN, sự miễn trừ tác động điện từ được đảm bảo nhờ hai dây của Bus đều chịu tác động như nhau cùng một lúc bởi tín hiệu nhiễu Điều này giúp tăng độ bền và ổn định của hệ thống truyền thông trong các ứng dụng công nghiệp tự động hóa Khi sử dụng Bus CAN, khả năng chống nhiễu và giữ chất lượng tín hiệu luôn được đảm bảo, góp phần nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống truyền dữ liệu.
Hình 2.14: S ự kháng nhi ễ u v ớ i ả nh h ưở ng c ủ a đ i ệ n t ừ
2.2.3Giải quyết tranh chấp trên Bus
Giao tiếp của Bus CAN hoạt động dựa trên phương thức phát tán thông tin (Broadcast), trong đó mỗi điểm kết nối và mạng đều nhận các frame truyền từ nút phát Sau đó, từng nút sẽ quyết định xem có xử lý message, trả lời hoặc phản hồi hay không Phương thức này giống như việc phát thông tin về lộ trình, giúp người lái xe dễ dàng điều chỉnh hướng đi, dừng xe, thay đổi tài xế hoặc giữ nguyên trạng thái mà không ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống.
KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH GIẢNG DẠY HỆ THỐNG TRUYỀN DỮ LIỆU QUA MẠNG CAN
Các thành phần của mô hình
3.1.1 Cảm biến siêu âm (SRF05)
Cảm biến SRF05 hoạt động dựa trên nguyên lý thu phát sóng siêu âm, gồm bộ phát và bộ thu Khi sóng siêu âm từ bộ phát truyền qua không khí, gặp vật cản sẽ phản xạ trở lại và được bộ thu ghi nhận Thời gian từ khi phát sóng đến khi nhận phản xạ giúp xác định khoảng cách tới vật thể, dựa trên vận tốc truyền âm thanh trong không khí cố định Nhờ đó, cảm biến SRF05 có thể đo khoảng cách lên tới 450cm một cách chính xác và hiệu quả.
SRF05 có thể cấu hình chế độ hoạt động bằng cách điều chỉnh chân MODE Việc nối hoặc không nối chân MODE xuống GND cho phép cảm biến hoạt động theo hai phương thức: sử dụng một chân IO hoặc hai chân IO để điều khiển Cấu hình linh hoạt này giúp người dùng dễ dàng tích hợp cảm biến vào các hệ thống khác nhau, tối ưu hóa khả năng điều khiển và độ chính xác của thiết bị.
Hình 3.2 C ả m bi ế n siêu âm SRF05
Modun cảm biến SRF05 có hai chân riêng biệt là TRIGGER và ECHO, giúp cảm biến hoạt động chính xác Khi chân MODE để trống với điện trở kéo lên VCC, cảm biến sẽ sử dụng cả hai chân TRIGGER và ECHO cho quá trình điều khiển và đo lường khoảng cách Điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của cảm biến siêu âm SRF05 trong các ứng dụng đo khoảng cách tự động.
Các chân nạp chương trình
Các chân kết nối của cảm biến
• Điện áp làm việc : 5V(DC)
• Dòng điện: Nhỏ hơn 2mA
• Tín hiệu ra: Tín hiệu tần số điện, mức cao 5V, mức thấp 0V
• Độ chính xác: lên đến 0.2cm
Màn hình tinh thể lỏng (LCD) là thiết bị hiển thị phẳng, sáng và chân thực, được tạo thành từ các tế bào chứa tinh thể lỏng có khả năng thay đổi tính phân cực của ánh sáng để điều chỉnh cường độ truyền qua kính lọc phân cực Ưu điểm của LCD bao gồm khả năng hiển thị đa dạng các ký tự, hình ảnh đồ họa rõ nét, dễ tích hợp vào các mạch ứng dụng qua nhiều giao thức khác nhau, tiêu thụ ít tài nguyên hệ thống và có mức giá phải chăng Các loại LCD hiện nay có nhiều hình dáng và kích thước khác nhau, phù hợp với nhiều mục đích sử dụng, trong đó loại LCD phổ biến nhất thường được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng công nghệ cao.
Hình 3.4 : Hình dáng c ủ a lo ạ i LCD thông d ụ ng
Trong quá trình sản xuất màn hình LCD, nhà sản xuất tích hợp chip điều khiển HD44780 bên trong lớp vỏ và chỉ cung cấp các chân giao tiếp cần thiết, giúp tối ưu hóa không gian và giảm thiểu các kết nối phức tạp Các chân này được đánh số thứ tự rõ ràng và đặt tên theo quy định, như mô tả trong hình 2, đảm bảo dễ dàng nhận biết và sử dụng trong các dự án điện tử.
Chân Ký hiệu Mô tả
1 Vss Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với
GND của mạch điều khiển
2 VDD Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với
VCC=5V của mạch điều khiển
3 VEE Điều chỉnh độ tương phản của LCD
Chân chọn thanh ghi (Register select) Nối chân RS với logic “0” (GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh ghi
Trong hệ thống điều khiển LCD, tín hiệu logic “0” kết nối từ bus DB0-DB7 đến thanh ghi lệnh IR của LCD khi chế độ ghi (write), hoặc đến bộ đếm địa chỉ của LCD khi chế độ đọc (read) Điều này giúp chuẩn bị dữ liệu hoặc lệnh cho LCD hoạt động chính xác và hiệu quả.
+ Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD
Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write) Nối chân R/W với logic
“0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để LCD ở chế độ đọc
Chân cho phép (Enable) Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân E
Trong chế độ ghi dữ liệu, dữ liệu trên bus sẽ được LCD chuyển vào và lưu trữ trong thanh ghi bên trong khi phát hiện một xung chuyển từ mức cao sang thấp của tín hiệu chân E Quá trình này đảm bảo dữ liệu được truyền và lưu trữ chính xác, giúp duy trì hiệu suất hoạt động của hệ thống Đây là bước quan trọng trong quá trình giao tiếp giữa LCD và các thành phần khác, đảm bảo dữ liệu được ghi đúng thời điểm và dễ dàng xử lý.
Trong chế độ đọc, dữ liệu từ LCD sẽ được xuất ra qua các chân DB0-DB7 khi có sự chuyển đổi từ mức thấp sang mức cao (low-to-high transition) tại chân E LCD sẽ giữ dữ liệu này trên bus cho đến khi chân E được đưa về mức thấp, giúp đảm bảo quá trình đọc dữ liệu chính xác và hiệu quả.
Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với MPU
Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này : + Chế độ 8 bit : Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit DB7
+ Chế độ 4 bit : Dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7, bit MSB là DB7
15 - Nguồn dương cho đèn nền
PIC 18F4580 là 1 vi điều khiển hiệu suất cao tích hợp module giao tiếp CAN Thiết bị có 1 số đặc điểm nổi bật sau:
• 1536 bytes bộ nhớ dữ liệu RAM
• Điện áp làm việc rộng( 2.0 V đến 5.5 V)
• 100.000 xóa/viết với bộ nhớ chương trình
• 1.000.000 xóa/viết với bộ nhớ EEROM
• Hỗ trợ khung dữ liệu tiêu chuẩn và mở rộng trong CAN
• Tốc độ truyền lên tới 1Mbits/s
Module CAN sử dụng chân RB3/CANRX và RB2/CANTX để nhận và truyền dữ liệu, đảm bảo kết nối chính xác với hệ thống CAN BUS Các chân này được liên kết với CAN BUS thông qua chip chuyển đổi MCP2551, giúp tăng độ ổn định và hiệu suất truyền dữ liệu trong hệ thống.
Hình 3.7 C ấ u trúc bên trong c ủ a MCP2551
Thu thập dữ liệu đầu vào của hệ thống
Tín hiệu đầu vào của hệ thống là cảm biến siêu âm SRF05:
- Giản đồ xung hoạt động của SRF05
Hình 3.9 Nguyên lý ho ạ t độ ng c ủ a SFR05
Dựa vào giản đồ xung ở trên ta thấy: Để SRF hoạt động chúng ta cần tạo 1 xung có độ rộng tối thiểu là 10us trên chân Trigger
Sau khi có xung được kích trên chân Trigger, SRF05 sẽ phát ra chuỗi 8 xung để phát sóng siêu âm
Sau khi phát ra 8 xung, cảm biến SRF05 sẽ kéo chân Echo lên mức cao Thời gian tồn tại của mức cao trên chân Echo, còn gọi là độ rộng xung mức cao, sẽ được sử dụng để tính khoảng cách chính xác Việc đo độ rộng xung này giúp xác định khoảng cách đến vật thể một cách chính xác và hiệu quả.
Khi độ rộng xung mức cao nằm trong khoảng từ 100 micro giây đến 25 mili giây, điều này cho thấy có vật cản nằm trong phạm vi phát hiện của cảm biến SRF05 Khoảng cách từ cảm biến đến vật cản được xác định dựa trên công thức tính toán cụ thể, giúp người dùng dễ dàng xác định chính xác vị trí vật cản trong phạm vi cảm biến Việc biết chính xác độ rộng xung và khoảng cách là rất quan trọng để đảm bảo hoạt động hiệu quả của hệ thống đo lường dựa trên cảm biến SRF05.
Khoảng cách=(((Độ rộng mức cao(us))/58) (cm) =(((Độ rộng mức cao(us))/148 ) (inch)
Nếu độ rộng xung mức cao lớn hơn hoặc bằng 30ms nghĩa là không có vật nằm trong phạm vi của cảm biến SRF05.
Thiết kế, chế tạo mạch ECU mô phỏng hệ thống truyền dữ liệu CAN
Sau khi hiểu rõ nguyên lý hoạt động của các cảm biến và cách truyền nhận dữ liệu giữa các ECU, nhà thiết kế sẽ lựa chọn các thiết bị phù hợp để chế tạo ECU Tiếp theo, bước lập sơ đồ đấu nối các thiết bị và thiết lập hệ thống kết nối nhằm đảm bảo truyền dữ liệu chính xác Cuối cùng, quá trình lập trình sẽ được thực hiện để mô hình hoạt động của hệ thống chạy mượt mà và hiệu quả, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật.
3.3.1 Sơ đồ khối và sơ đồ thuật toán điều khiển hệ thống truyền dữ liệu CAN 3.3.1.1 Sơ đồ khối hệ thống truyền dữ liệu CAN
Hình 3.10: S ơ đồ m ạ ch đ i ệ n h ệ th ố ng truy ề n d ữ li ệ u CAN trên mô hình
3.3.1.2 Sơ đồ thuật toán điều khiển hệ thống truyền dữ liệu CAN
Kiểm tra công tắc xi nhan trái để xác định trạng thái bật hay tắt Khi công tắc chuyển từ trạng thái tắt sang bật, hệ thống gửi lệnh bật xi nhan trái để thông báo Ngược lại, khi công tắc chuyển từ bật sang tắt, hệ thống sẽ gửi lệnh tắt xi nhan trái nhằm đảm bảo hoạt động chính xác của hệ thống đèn báo rẽ.
Kiểm tra công tắc xi nhan phải để xác định trạng thái hiện tại Khi công tắc chuyển từ trạng thái tắt sang bật, hệ thống sẽ gửi lệnh bật xi nhan phải để cảnh báo đúng cách Ngược lại, khi công tắc chuyển từ bật sang tắt, hệ thống sẽ gửi lệnh tắt xi nhan phải nhằm đảm bảo an toàn và chính xác trong quá trình điều khiển.
Kiểm tra công tắc Hazza để xác định trạng thái của nó Khi công tắc chuyển từ trạng thái tắt sang bật, hệ thống sẽ gửi lệnh bật Hazza để hoạt động Ngược lại, nếu công tắc chuyển từ bật sang tắt, hệ thống sẽ tự động gửi lệnh tắt Hazza nhằm tiết kiệm năng lượng và đảm bảo an toàn Việc kiểm tra và điều khiển công tắc Hazza giúp nâng cao hiệu quả sử dụng và kiểm soát thiết bị một cách dễ dàng.
Kiểm tra công tắc lùi để xác định trạng thái hiện tại, nếu trạng thái chuyển từ đang tắt sang đang bật, hệ thống sẽ gửi lệnh bật chế độ lùi Ngược lại, nếu trạng thái chuyển từ đang bật sang tắt, hệ thống sẽ gửi lệnh tắt chế độ lùi nhằm đảm bảo hoạt động chính xác và an toàn cho xe.
Kiểm tra chế độ lùi của xe để xác định xem có đang ở chế độ này hay không Nếu đúng, tiếp tục kiểm tra trạng thái nhận dữ liệu CAN để đảm bảo hệ thống đang hoạt động bình thường Khi nhận được dữ liệu CAN hợp lệ, tiến hành đọc gói dữ liệu để phân tích và xử lý các thông tin liên quan đến trạng thái xe, giúp nâng cao hiệu quả vận hành và an toàn.
B5.1: -Nếu địa chỉ dữ liệu trùng với địa chỉ cảm biến 1: hiển thị data lên LCD và chạy hàm Alert()
B5.2: - Nếu không, địa chỉ dữ liệu trùng với địa chỉ cảm biến 2: hiển thị data lên LCD và chạy hàm Alert()
B5.3: - Nếu không, địa chỉ dữ liệu trùng với địa chỉ cảm biến 3: hiển thị data lên LCD và chạy hàm Alert()
B5.4: - Nếu không, địa chỉ dữ liệu trùng với địa chỉ cảm biến 4: hiển thị data lên LCD và chạy hàm Alert()
- B1: Kiểm tra khoảng cách cảm biến trái trong khoảng 0-40 cm thì gán biến danger1 = 23
Nếu không khoảng cách trong khoảng 40-80 cm thì gán biến danger1 = 13 Nếu không danger1 = 3
- B2: Kiểm tra khoảng cách cảm biến phải trong khoảng 0-40 cm thì gán biến danger3 = 23
Nếu không khoảng cách trong khoảng 40-80 cm thì gán biến danger3 = 13 Nếu không danger3 = 3
- B3: Nếu danger1 = 23 hoặc danger2# thì báo động đỏ (sáng đèn và hú còi nhanh)
Nếukhông danger1 hoặc danger2 thì báo động vàng (sáng đèn và hú còi chậm)
Nếu không thì không báo động
Timer0:Sử dụng timer 0 mỗi 50ms Kiểm tra trạng thái nhận dữ liệu CAN, nếu nhận được dữ liệu thì đọc gói dữ liệu:
B1: - Nếu địa chỉ dữ liệu trùng với địa chỉ xi nhan trái: đọc dữ liệu và thực hiện lệnh bật/ tắt xi nhan trái
B2: -Nếu địa chỉ dữ liệu trùng với địa chỉ xi nhan phải: đọc dữ liệu và thực hiện lệnh bật/ tắt xi nhan phải
B3: - Nếu địa chỉ dữ liệu trùng với địa chỉ hazza: đọc dữ liệu và thực hiện lệnh bật/ tắt hazza
B4: - Nếu địa chỉ dữ liệu trùng với địa chỉ chế độ lùi: đọc dữ liệu và thực hiện lệnh bật/ tắt chế độ lùi
Chương trình chính:Kiểm tra chế độ lùi, nếu chế độ lùi đang bật thì thực hiện:
B1: Đọc cảm biến số 1 và lưu khoảng cách 20 lần
B2: Lọc nhiễu, lấy trung bình khoảng cách CB1
B3: Gửi dữ liệu chứa giá trị khoảng cách CB1 vào mạng CAN
B4: Đọc cảm biến số 2 và lưu khoảng cách 20 lần
B2: Lọc nhiễu, lấy trung bình khoảng cách CB2
B3: Gửi dữ liệu chứa giá trị khoảng cách CB2 vào mạng CAN
Hàm đọc cảm biến (CB1() + CB2())
- B2: Đợi chân Echo lên mức cao (5V) thì bật bộ đếm thời gian (Timer) Nếu không lên báo lỗi
Chương trình sẽ đợi chân Echo xuống mức thấp (0V) trước khi kiểm tra, sau đó kiểm tra thời gian tồn tại ở mức cao của chân Echo Nếu thời gian này vượt quá 30ms, hệ thống sẽ báo lỗi để đảm bảo an toàn và chính xác trong quá trình đo.
3.3.2 Sơ đồ mạch điều khiển hệ thống truyền dữ liệu CAN trên ô tô
Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 3.2.2.2 Mạch hiển thị
Mạch hiển thị sử dụng màng LCD để hiển thị khoảng cách từ các cảm biến
Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị
Hình 3.13 Mạch giao tiếp CAN
Hình 3.14 Mạch các cảm biến
Hình 3.15 Mạch các nút nhấn
Hình 3.17 Hình ảnh tổng thể của mô hình
Hình 3.18 Hình ảnh bên trong ECU
Hình 3.19 Màn hình lúc mới khởi động
Hình 3.20 Kết quả hiển thị trên màn hình
Thử nghiệm, đánh giá kết quả
Mô hình hoạt động sử dụng một tấm bìa phẳng làm vật cản, di chuyển tấm bìa ra xa hoặc gần các cảm biến để quan sát kết quả hiển thị trên màn hình Quá trình này giúp đo khoảng cách thực tế và so sánh với kết quả hiển thị để kiểm tra độ chính xác của cảm biến Đây là phương pháp đơn giản và hiệu quả để hiểu rõ cách cảm biến đo khoảng cách trong các ứng dụng thực tế.
Khoảng cách thực tế (cm) Khoảng cách hiển thị trên màn hình (cm)
Bảng 3.1 Kết quả thí nghiệm
Kết quả thí nghiệm cho thấy có sự chênh lệch giữa dữ liệu hiển thị trên màn hình và kết quả thực tế Tuy nhiên, dữ liệu hiển thị phù hợp với lập trình của nhà thiết kế, giúp tránh hiện tượng nhiễu và đảm bảo kết quả hiển thị ổn định Nếu hiển thị đúng khoảng cách thực tế, màn hình sẽ gặp khó khăn trong việc hiển thị thông tin chính xác và ổn định.