Hệ thống truyền dữ liệu multiplex và can trên ô tô

Trong đ tài “Hệ thống truy n dữ liệu Multiplex và CAN trên ô tô” này người thực hiện đư thực hiện được các công việc như sau: Hiểu được cơ sở lý thuy t v hệ thống thông tin đa dẫn Multip

Trong đ tài “Hệ thống truy n dữ liệu Multiplex và CAN trên ô tô” này người thực hiện đư thực hiện được các công việc như sau: Hiểu được cơ sở lý thuy t

v hệ thống thông tin đa dẫn Multiplex, hiểu được cấu trúc mạng CAN và các chuẩn giao ti p CAN Trên cơ sở lý thuy t đư tìm hiểu được cùng với việc tìm hiểu hoạt động thực t của hệ thống tuy n giữ liệu trên xe Toyota Yaris người thực hiện đư thi t k được mô hình mô phỏng hoạt động của mạng CAN giữa ECU đi u khiển

tốc độ motor quạt két nước làm mát động cơ và ECU đi u khiển đóng mở motor servo trộn khí Do các ECU trên là tự ch tạo nên các xung đo được chưa mịn

Abstract

This "Transmission system Multiplex and CAN integrated on automobile" thesis has been conducted by reseacher This has brought to researcher understanding on: Theoretical basic on multi transmission information system (Multiplex system), CAN network infrastructure and interface standard This theory has been checked with practical data transmission system on Toyota Yaris and stimulation has been designed This stimulates operation on CAN between controlling water cooling motor ECU and air mixing closing/opening motor ECU These ECUs are self-design that may result on unexpectedly unstable pulses There may have some mistakes in this thesis that reseacher may not be awared and would like to receive more input for improvements

CAN: Controller Area Network – Mạng đi u khiển vùng

MPX: Multiplex communication network – Hệ thống truy n dữ liệu đa dẫn

AVC- LAN: Audio Visual Communication – Local Area Network - Truy n tín hiệu cho hệ thống nghe nhìn – Mạng cục bộ

BEAN: Body Electronics Area Network – Mạng điện tử thân xe

ECU: Electronic Control Unit

LIN: Local Interconnect Network - Mạng K t Nối Nội Bộ Khu Vực

ACK: Rộng 2 bit và chứa 2 vùng là ACK flag (cờ lệnh ACK) và ACK phân định AVX: Radio Receiver Assembly with Display

CAMERA-C: Television Camera ECU

CSMA: Carrier Sense Multiple Access

CD: Collision Detection

CRC: Cyclic Redundancy Check: Cung cấp mã phát hiện lỗi

CONT-SW: Integration Control & Panel Assembly

DTC: Diagnostic Trouble Code: mã chuẩn đoán hư hỏng

DLC3: giắc nối dữ liệu số 3

DVD-P: DVD Player

DST – ID: Destination ID: cung cấp địa chỉ cho ECU nhận

EMI: Electromagnetic Interference - sự nhiễu điện từ

EMV: Multi Display

EOM: End of Massage: K t thúc thông điệp

EOF: End of Frame: K t thúc khung

GND: Ground: nối đất

G/W: Gateway ECU

ISO 11898-2: CAN tốc độ cao

ISO 11898-3: CAN fault-tolerant (tốc độ thấp)

ISO 11992-1: CAN fault-tolerant cho xe tải, xe lửa

SAE J2411: CAN dây đơn - Single-wire CAN_SWC

UART: Universal Ansynchronous Receiver/ Transmitting - Truy n/ Nhận dữ liệu

nối ti p không đồng bộ

LLC: Logical link control - Lớp k t nối theo logic

MAC: Medium Access Control- Lớp đi u khiển truy cập phương tiện truy n thông tin MDI: Medium Dependent Interface

MOVs: Metal Oxide Varistors

MPX: Multiplex Communication Systemn - Hệ Thống Thông Tin Đa Dẫn

MES – ID: Message ID: cung cấp loại dữ liệu

MHKĐC: Mư hóa khóa động cơ

NAVI: Navigation ECU

PMA: Physical Medium Attachment

RTR: Remote Transmit Request – rộng 1 bit

Rr- TV: Rear Television Display

Rr-CONT: Audio Control Switch (at Rear Seat)

Sleep: Ch độ nghỉ

WTO: World Trade Orgnization: Tổ chức thương mại th giới

Wake up: Ch độ bị đánh thức

HÌNH TRANG

Hình 2.1: Các kiểu giao ti p 12

Hình 2.2: Tổng quát hệ thống MPX 13

Hình 2.3: Giao ti p khi không có MPX 13

Hình 2.4: Giao ti p khi có sử dụng MPX 14

Hình 2.5: Sơ đồ tổng quát hệ thống MPX 14

Hình 2.6: Sơ đồ tổng quát giao ti p giữa các ECU không sử dụng hệ thống MPX 15

Hình 2.7: Sơ đồ tổng quát giao ti p giữa các ECU có sử dụng hệ thống MPX 16

Hình 2.13: Mô hình kiểu STAR 22

Hình 2.14: Mô hình so sánh các kiểu h t nối 23

Hình 2.15: Các trạng thái hoạt động của hệ thống MPX 25

Hình 2.16: Sơ đồ khối của hệ thống MPX 26

Hình 2.17: Sơ đồ khối của hệ thống MPX 27

Hình 2.18: Đường truy n hệ thống MPX của hệ thống cửa 28

Hình 2.20: Bố trí các ECU trong hệ thống cửa 30

Hình 2.21: Đường truy n hệ thống MPX của hệ thống trục lái 31

Hình 2.23: Bố trí các ECU trong hệ thống trục lái 33

Hình 2.24: Đường truy n hệ thống MPX của bảng táp lô 34

Hình 2.26: Bố trí các ECU trong bảng táp lô 36

Hình 2.27: Sơ đồ ECU trung tâm 37

Hình 2.28: Hệ thống MPX trên xe Lexus GS300 39

Hình 2.29: Hệ thống MPX trên xe Lexus RX300 39

Hình 2.30: Hệ thống MPX trên xe TOYOTA CROWN (JZS175) 40

Hình 2.38: Sơ đồ mạch điện khi 1 ECU bị đứt 1 đường truy n và DTC không phát

ra 44

Hình 2.39: Sơ đồ đứt mạch 45

Hình 2.40: Sơ đồ ngắn mạch 46

Hình 2.41: Sử dụng máy chẩn đoán 47

Hình 2.42: Chức năng trên máy chẩn đoán 48

Hình 2.43: Sơ đồ mạch điện ECU hệ thống cửa 49

Hình 2.44: Sơ đồ tổng quát hệ thống MPX 50

Hình 2.45: Sơ đồ chức năng giao ti p 50

Hình 2.45: Sơ đồ chức năng chẩn đoán 51

Hình 2.46: Sơ đồ chức năng chuyển đổi tín hiệu 51

Hình 2.47: Sơ đồ chức năng cài đặt 51

Hình 3.1: Sơ đồ tổng quát hệ thống CAN (Controller Area Network) trên xe 53

Hình 3.2: Mô hình 7 lớp Open System Interconnection (OSI) 55

Hình 3.3: Mô hình hệ thống CAN tiêu chuẩn 57

Hình 3.4: Sự chênh lệch trên BUS 57

Hình 3.5: Mức BUS theo tiêu chuẩn ISO 11898 58

Hình 3.7: Mô hình thời gian trễ giữa 2 node trong CAN 60

Hình 3.8: Cấu trúc khung dữ liệu 63

Hình 3.9: Định dạng khung dữ liệu 63

Hình 3.10: Mô hình cấu trúc trường phân chia 64

Hình 3.11: Mô hình cấu trúc khung tiêu chuẩn 65

Hình 3.12: Mô hình cấu trúc khung mở rộng 65

Hình 3.13: Mô hình thể hiện cấu trúc Control Field 66

Hình 3.16: Mô hình thể hiện cấu trúc ACK Field 68

Hình 3.17: Mô hình thể hiện cấu trúc remote frame 69

Hình 3.18: Định dạng khung tách biệt 69

Hình 3.19: Mô hình thể hiện cấu trúc error frame 70

Hình 3.21: Mô hình thể hiện cấu trúc overload frame 71

Hình 3.22: Định dạng khung quá tải 72

Hình 3.23: Bit Timing 80

Hình 3.25: 81

Hình 3.26: 84

Hình 3.27: Lọc spikes trội bằng phương pháp đồng bộ hóa 85

Hình 3.28: Cấu trúc của giao thức CAN đi u khiển 87

Hình 3.29: Input and Output Delay Times 88

Hình 3.30: Example of Delay Time Measurement 90

Hình 3.31: Measurement with Maladjusted Clock Phases 91

Hình 3.34: Cấu trúc 1 mạch CAN BUS 94

Hình 3.36: ISO 11898-2 Differential High-speed CAN bus 96

Hình 3.37: ISO 11898-3 Fault tolerant CAN Bus 97

Hình 3.38: SAE J2411 single wire CAN Bus 98

Hình 3.39: Mạch bảo vệ CAN dùng TVS diode 103

Hình 3.40: Mạch bảo vệ CAN dùng TVS diode 104

Hình 3.41: Mạch bảo vệ CAN dùng TVS diode 104

Hình 3.42: Mạch bảo vệ CAN dùng MOVs 105

Hình 3.43: Mạch bảo vệ CAN dùng cuộn cảm 106

Hình 3.44: Mạch bảo vệ CAN dùng mạch rẽ 107

Hình 3.45: Mạch bảo vệ CAN dùng mạch k t hợp 108

Hình 3.46: Mạch bảo vệ mạng CAN 1 dây đơn 108

Hình 3.47: Sơ đồ khối mạng CAN trên xe Toyota Yaris 109

Hình 3.48: Vị trí của ECU các hệ thống giao ti p CAN 110

Các đặc điểm của dây giao ti p CAN 112

Hình 4.1: Đường đặc tuy n của cảm bi n nhiệt độ trong xe 116

Hình 4.2: Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ quạt và tỷ lệ % 117

Hình 4.3: Ch độ làm mát 118

Hình 4.4: Ch độ hâm nóng 118

Hình 4.5: Sơ đồ khối hệ thống truy n dữ liệu CAN trên ô tô 119

Hình 4.7: Sơ đồ nguyên lý mạch đi u khiển hệ thống truy n dữ liệu CAN trên ô tô121 Hình 4.8: Sơ đồ k t nối vi đi u khiển Atmega16 122

Hình 4.9: Sơ đồ nguyên lý mạch ổn áp 123

Hình 4.10: Sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị 123

Hình 4.11: Sơ đồ nguyên lý mạch công suất 124

Hình 4.12: Sơ đồ mạch in ECU hệ thống truy n dữ liệu CAN trên ô tô 124

Hình 4.13: ECU thực t 125

Hình 4.14: Mô hình lắp đặt ECU trên sa bàn 125

Hình 5.1: Máy Hantek Oscillocope 127

Hình 5.2: Sơ đồ mạch đấu dây dùng hệ thống truy n dữ liệu CAN để đi u khiển motor servo và motor quạt 128

Hình 5.3: Dạng sóng đi u khiển motor servo và quạt đang ở mức thấp nhất 129

Hình 5.4: Dạng sóng đi u khiển motor servo ở mức trung bình (90o ) và quạt đang ở mức trung bình 129

Hình 5.5: Dạng sóng đi u khiển motor servo ở mức cao nhất (180o ) và quạt đang ở mức cao nhất 130

Hình 5.6: Dạng sóng tổng quát của chum xung đi u khiển motor servo và quạt đang ở mức thấp nhất 130

Hình 5.7: Dạng sóng đi u khiển motor servo ở mức thấp nhất (0o ) và quạt đang ở mức thấp nhất 131

Hình 5.8: Dạng sóng đi u khiển motor servo ở mức trung bình (90o ) và quạt đang ở mức thấp nhất 131

DANH SÁCH CÁC B NG

B NG TRANG

B ng 2.19: Các ECU liên quan đ n đường truy n của hệ thống cửa 29

B ng 2.22: Các ECU liên quan đ n đường truy n của hệ thống trục lái 32

B ng 2.25: Các ECU liên quan đ n đường truy n của bảng táp lô 35

B ng 3.14: Bảng mã hóa dữ liệu 67

B ng 3.35: Các tiêu chuẩn của lớp vật lý trong CAN 94

B ng 4.1: Giá trị tiêu chuẩn của cảm bi n nhiệt độ nước làm mát động cơ 116

B ng 4.2: Giá trị tiêu chuẩn của cảm bi n nhiệt độ trong xe 116

M CăL C

TRANG Trang tựa

Quy t định giao để tài

Lý lịch cá nhân i

Lời cam đoan ii

Lời cảm ơn iii

Tóm tắt iv

Danh sách chữ vi t tắt v

Danh sách hình viii

Danh sách bảng xiii

M C L C 1

Ch ngă1:ăT NG QUAN 6

1.1 T ng quan chung v lĩnhăvực nghiên c u 6

1.2 Tình hình nghiên c uătrongăvƠăngoƠiăn c 7

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên th giới 7

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 8

1.3 M cătiêuăvƠăđ iăt ng nghiên c u 10

1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu 10

1.3.2 Đối tượng nghiên cứu 10

1.4 Nhi m v c aăđ tài và ph m vi nghiên c u 10

1.4.1 Nhi ệm vụ của đ tài 10

1.4.2 Ph ạm vi nghiên cứu 11

2.2.1 Khái quát chung 14

2.2.2 u điểm của hệ thống MPX 15

2.2.3 Lịch sử phát triển 17

2.2.4 Các đặc điểm chính của MPX 18

2.2.4.1 Đường truy n tín hiệu 18

2.2.4.2 Các loại hệ thống truy n tín hiệu 20

2.2.4.3 Các mô hình mắc ECU trong hệ thống MPX 21

2.2.4.4 Mạch k t nối khép kín 23

2.2.4.5 Ch độ “nghỉ” và “sẵn sàng” 24

2.2.5 Chức năng của MPX (Xêri LS 430, UCF 30) 26

2.2.5.1 Liên lạc nhi u đường truy n 26

2.2.5.2 Các bộ phận của mạng 26

2.2.5.3 Đường truy n cho hệ thống cửa 27

2.2.5.4 Đường truy n của hệ thống trục lái 30

2.2.5.5 Đường truy n cho bảng táplô 33

2.2.5.6 ECU trung tâm 36

2.2.6 Sơ đồ khối một số xe sử dụng hệ thống MPX 39

2.2.7 Chẩn đoán hư hỏng của hệ thống MPX 41

2.2.7.1 Mô tả chẩn đoán 41

2.2.7.2 Cách ti n hành chuẩn đoán 43

2.2.8 Hệ thống MPX trong những năm gần đây 50

2.2.8.1 Giao ti p nhi u kênh (MULTI – BUS COMMUNICATION) 50

2.2.8.2 Gateway ECU 50

Ch ngă 3:ă C ă S LÝ THUYẾT H TH NG TRUY N DỮ LI U CAN TRÊN Ô TÔ 53

3.1 H th ng m ng CAN (Control Erea Network) 53

3.1.1 Tổng quát v mạng CAN 53

3.1.2 Mô hình 7 lớp 54

3.1.2.1 Giới thiệu 54

3.1.2.2 Khái quát ISO-11898-2 56

3.1.2.3 Mức bus 57

3.1.2.4 Giắc nối và dây dẫn 58

3.1.2.5 Yêu cầu v khả năng hoạt động 59

3.1.2.6 Chi u dài BUS 59

3.1.3 Các thuộc tính của CAN 60

3.1.4 Phân loại CAN 62

3.1.5 Các loại thông điệp dùng trong CAN (message) 62

3.1.5.1 Data frame (khung dữ liệu) 62

3.1.5.2 SOF (Start of Frame) 64

3.1.5.3 Arbitration field (trường phân chia) 64

3.1.5.4 Control field 66

3.1.5.5 Data field: 67

3.1.5.6 CRC field 67

3.1.5.7 ACK field 68

3.1.5.8 End of Frame (k t thúc khung) 68

3.1.5.9 Interframe space 68

3.1.5.10 Remote frame (khung tách biệt) 68

3.1.5.11 Error frame (khung lỗi) 70

3.1.5.12 Overload frame (khung quá tải) 71

3.1.6 Giao thức giao ti p trong mạng CAN 72

ức giao ti p trong hệ thống CAN là giao thức CSMA/CD 72

3.1.7.2 Phân đoạn truy n thời gian 80

3.1.7.3 Phân đoạn vùng đện và sự đồng bộ hóa 82

3.1.7.4 Dao động phạm vi dung sai 85

3.1.7.5 Cấu hình của giao thức CAN đi u khiển 86

3.1.7.6 Sự đo lường của Mode delay times 88

3.1.7.7 K t luận 91

3.1.8 Mạch bảo bệ CAN bus 93

3.1.8.1 Phần cứng 93

3.1.8.2 Đặc tính kỹ thuật của bộ phận thu phát CAN transceiver 98

3.2 H th ng truy n d li u CAN trên xe TOYOTA YARIS 109

3.2.1 K t nối (kiểu Bus) 109

3.2.2 Vị trí chi ti t: 110

3.2.3 Hệ thống truy cập 113

3.2.4 Phát dữ liệu 113

3.2.5 Gói dữ liệu 114

3.2.6 Phát hiện lỗi 114

Ch ngă4:ăTHIẾT KẾ VÀ CHẾ T O MÔ HÌNH MÔ PH NG H TH NG TRUY N D Ữ LI U CAN TRÊN Ô TÔ 115

4.1 Thu th p s li uăđi u khiển h th ng truy n d li u CAN trên ô tô 115

4.1.1 Các thông số tín hiệu đầu vào của hệ thống truy n dữ liệu CAN trên ô tô 115

4.1.1.1 Cảm bi n nhiệt độ nước làm mát động cơ 115

4.1.1.2 Cảm bi n nhiệt độ trong xe 115

4.1.1.3 Bảng đi u khiển 117

4.1.2 Cơ cấu chấp hành hệ thống truy n dữ liệu CAN trên ô tô 117

4.1.2.1 Motor quạt két nước làm mát động cơ 117

4.1.2.2 Motor servo để đóng mở cánh trộn khí 117

4.2 Thi t k , ch t o m ch ECU mô ph ng h th ng truy n d li u CAN trên ô

4.2.1 Sơ đồ khối và sơ đồ thuật toán đi u khiển hệ thống truy n dữ liệu CAN trên ô

tô 119

4.2.1.1 Sơ đồ khối hệ thống truy n dữ liệu CAN trên ô tô 119

4.2.1.2 Sơ đồ thuật toán đi u khiển hệ thống truy n dữ liệu CAN trên ô tô 120

4.2.2 Sơ đồ mạch đi u khiển hệ thống truy n dữ liệu CAN trên ô tô 121

4.2.2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch đi u khiển hệ thống truy n dữ liệu CAN trên ô tô 121

4.2.2.2 Thành phần của mạch ECU đi u khiển motor quạt và motor servo trộn khí 121 Ch ngă5:ăTHệăNGHI MăĐÁNHăGIÁăKH NĔNGă NG D NG C A MÔ HÌNH H TH NG TRUY N D Ữ LI U CAN TRÊN Ô TÔ 126

5.1 M c tiêu thí nghi m 126

5.2 Thi t b thí nghi m 126

5.3ăS ăđ đấu dây 128

5.5 K t qu thí nghi m 128

5.6ăĐánhăgiáăk t qu thí nghi m 135

Ch ngă6:ăKẾT LU NăVÀăĐ NGH 136

6.1 K t lu n 136

6.2.ăĐ ngh 136

6.3.ăH ng phát triểnăđ tài 136

TÀI LI U THAM KH O 138

PH L C 139

Ch ngă1: T NGăQUAN

1.1ăT ngăquanăchungăv ălĩnhăvựcănghiênăc u

Trong những năm gần đây, một đặc tính của ôtô hiện đại là sự phát triển việc

đi u khiển điện tử một cách nhanh chóng, có nhi u hệ thống đi u khiển khác nhau

và việc đi u khiển đòi hỏi phải chính xác Vấn đ đặt ra là sự gia tăng một cách

mạnh mẽ số lượng dây điện, tổng khối lượng dây điện xấp xỉ 50 kg và tổng chi u dài dây gần 2 km Để giải quy t vấn đ này, các nhà sản xuất ôtô đư chủ động phát triển một hệ thống thông tin đa dẫn Multiplex gọi tắt là MPX MPX là một hệ

thống giao ti p dùng để nhận hay truy n 2 hay nhi u dữ liệu trở lên thông qua 1 đường dây giao ti p Mỗi ECU đi u khiển từng hệ thống và được k t nối với nhau trong MPX

Ngày nay một hệ thống đi u khiển được chia ra thành nhi u cụm khác nhau và được đi u khiển bởi những máy tính riêng rẽ khác nhau Do đó số lượng dây dẫn và các cảm bi n ngày càng tăng, dẫn đ n việc chẩn đoán sữa chữa gặp nhi u khó khăn Chính những đi u này đư thúc đẩy cho sự ra đời của một số hệ thống mạng đi u khiển, trong đó có mạng CAN CAN là vi t tắt của Controller Area Network, tạm

dịch là “Mạng ECU” hay gọi tắt là mạng CAN, là 1 công nghệ mạng ghép nối ti p,

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 n n công nghiệp tự động hóa và các ứng dụng trên xe hơi, xe tải và cho đ n ngày nay thì mạng CAN

cũng đư thể hiện được tính ưu việt của nó trong các lĩnh vực khác như hàng không,

vũ trụ, y học cho tới các thi t bị sử dụng cho gia đình như: máy giặt, máy

sấy….Mạng CAN có lợi th là 1 hệ thống kênh ghép nối ti p sẽ lược bớt đi dây

dẫn, tăng cường khả năng đi u khiển, giảm bớt số lượng cảm bi n, phát hiện lỗi dễ dàng, thuận tiện trong việc chẩn đoán và sữa chữa

1.2ăTìnhăhìnhănghiênăc uătrongăvƠăngoƠiăn c

1.2.1 Tình hình nghiênăc uătrênăth ăgi i

Các hưng ôtô hàng đầu Mỹ Nhật đư đầu tư nhi u triệu USD để áp dụng mạng CAN trên ôtô của họ

Hầu như mọi nhà sản xuất chip lớn như: Intel, NEC, Siemens, Motorola, Maxim IC, Fairchild, Microchip, Philips, Texas Instrument, Mitsubishi, Hitachi, STmicro đ u có sản xuất ra chip CAN

 Vivekanandan., B., Sabane, M., and Murali, K., "Configurable Vehicle

Networks," SAE Technical Paper 2003-28-0012

Bài vi t này đ cập đên sự phát triển của các mạng liên k t trên ô tô, các tiêu chuẩn cho các mạng liên k t này Bài vi t cũng chỉ ra rằng trong những năm gần đây các ECU được k t nối qua mạng thông tin đa dẫn, các mạng thường sử dụng là CAN như là đường truy n chính và LIN như là mạng k t nối thông qua cổng (Gateway)

 Mathony, H., Kaiser, K., and Unruh, J., "Network Architecture for CAN,"

SAE Technical Paper 930004, 1993

Bài vi t nói v cấu trúc mạng CAN, nó bao gồm một k t cấu các lớp thông tin liên lạc và một bộ phận quản lý mạng K t cấu các lớp thông tin này bao gồm các thi t

bị có chức năng phân phối, truy n tải dữ liệu và giao diện ứng dụng Những môđun

của hệ thống hỗ trợ thi t k thông tin liên lạc và phần m n quản lý mạng với nhi u hay ít đặc điểm chức năng theo yêu cầu của ứng dụng Phương pháp ti p cận này cho phép một sự thích ứng tối ưu hóa của hệ thống mạng đ n yêu cầu ứng dụng

 Alvarenga, C., "Multiplexing in Automobiles - An Application Example of the CAN Protocol," SAE Technical Paper 921504, 1992.

Bài vi t giới thiệu công nghệ truy n thống tin cho phép truy n và nhận phản hồi

 Hillyer, M., "Using Motors in Automotive Multiplex Systems," SAE

hệ thống thông tin đa dẫn và trình bày một giải pháp cho vấn đ này Bằng cách k t

hợp các thông tin liên lạc, chẩn đoán, và các thi t bị điện tử điện trong động cơ (tức

là một động cơ thông minh), giao diện các vấn đ liên quan đ n kiểm soát đầu ra được giảm thiểu Đi u này cho phép toàn quy n kiểm soát động cơ trực ti p từ một máy tính thân xe, nút tách kênh, hoặc thi t bị khác có khả năng sản xuất các tín hiệu

kỹ thuật số thích hợp Bằng cách cung cấp thông tin chẩn đoán liên quan đ n trạng thái hoạt động của động cơ và đi u khiển điện tử, động cơ thông minh cho phép

Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy chẩnăđoánăOBD-2 - Sinh viên

vĕnăđại họcătểángă03ănĕmă2012,ăGỄáoăvỄênăểướng dẫn:ăăPGS.TSăĐỖ VĔNăDŨNGă – TrườngăĐại họcăSưăPểạm Kỹ Thuật Tp HCM

- Hình thành cơ sở lý thuy t v máy chẩn đoán OBD-2 sử dụng chuẩn giao ti p CAN

- Ch tạo mô hình máy chẩn đoán OBD-2 chuẩn giao ti p CAN sử

dụng giao diện LabVIEW

Đề tài: Hệ thống CAN (Controller Area Network) - Sinh viên thực hiện:

Luậnăvĕnăđại họcătểángă01ănĕmă2011,ăGỄáoăvỄênăểướng dẫn: ThS NGUY N VĔNăLONGăGIANGă– TrườngăĐại họcăSưăPểạm Kỹ Thuật Tp HCM

Nội dung đ tài:

- Giới thiệu v hệ thống mạng CAN

- Cấu trúc v thông điệp của hệ thống mạng CAN

- Phương thức truy n dữ liệu của CAN ứng dụng trên ô tô

- Hệ thống CAN BUS và hệ thống xử lý

- ng dụng của hệ thống CAN trên ô tô

Đề tài: Viếtăcểuyênăđề các hệ thống mới trên hệ thốngăđỄều khi năđộngăcơă

và ôtô - Sinh viên thực hiện: Nguy năSĩăPểước (MSSV: 04105089) - LâmăĐìnểă Thu ận (MSSV: 04105125) - Luậnă vĕnă đại họcă tểángă 03ă nĕmă 2009,ă GỄáoă vỄênă ểướng dẫn:ăăPGS.TSăĐỖ VĔNăDŨNGă– TrườngăĐại họcăSưăPểạm Kỹ Thuật Tp HCM

Nội dung đ tài:

- Hệ thống thông tin đa dẫn MPX

- Hệ thống mạng điện thân xe BEAN

- Hệ thống mạng ECU CAN

ệ thống mạng k t nối nội bộ khu vực LIN

1.3 M cătiêuăvƠăđ iăt ngănghiênăc u

1.3.1 M cătiêuănghiênăc u

- Nắm vững được cơ sở lý thuy t v hệ thống thông tin đa dẫn (MPX)

- Nắm vững được cấu trúc một thông điệp trong CAN (mạng đi u khi n vùng),

và chuẩn giao ti p CAN

- Nắm vững cơ sở lý thuy t, cách lập trình vi đi u khiển, cách đo xung bằng máy Hantek DSO – 2550 USB để làm n n tảng cho việc ch tạo mô hình

1.3.2ăĐ iăt ngănghiênăc u

- Nghiên cứu các loại hệ thống truy n dữ liệu

- Nghiên cứu chuẩn giao ti p CAN

- Nghiên cứu hệ thống truy n dữ liệu CAN trên xe TOYOTA YARIS

- Nghiên cứu mạch vi đi u khiển Atmega16

- Nghiên cứu hoạt động của cảm bi n nhiệt độ nước làm mát và cảm bi n nhiệt

độ trong xe

1.4ăNhi măv ăc aăđ ătƠiăvƠăph măviănghiênăc u

1.4.1 Nhi măv ăc aăđ ătƠi

Những năm đầu thập niên 90 hệ thống thông tin đa dẫn (MPX) và CAN ra đời đáp ứng nhi u vấn đ cho các hệ thống điện trong xe, với tốc độ truy n tải cao, độ sai số rất thấp Từ năm 2007 tất cả các loại xe ôtô nhập vào Mỹ bắt buộc phải dùng

Đ tài này có nhiệm vụ tìm hi u cơ sở lý thuy t của hệ thống truy n dữ liệu Multiplex và CAN trên ô tô Phân tích hoạt động của hệ thống truy n dữ liệu trên

hoạt động truy n dữ liệu giữa ECU đi u khiển tốc độ motor quạt làm mát động cơ

và ECU đi u khiển góc mở của motor servo trộn khí Do vậy việc nghiên cứu v hệ

thống truy n dữ liệu dữ liệu MPX và CAN là đ tài cần thi t giúp sinh viên và các học viên ti p cận hơn với các công nghệ mới, phục vụ cho việc chuẩn đoán sửa

chữa các hệ thống điện trên xe

1.4.2 Ph măviănghiênăc u

- Nghiên cứu hệ thống truy n dữ liệu CAN trên xe TOYOTA YARIS

- Nghiên cứu ch tạo mô hình hệ thống truy n dữ liệu CAN giữa ECU đi u khiển tốc độ motor quạt làm mát động cơ và ECU đi u khiển góc mở của cánh trộn khí

1.5 Ph ngăphápănghiênăc u

- Phương pháp nghiên cứu, tổng hợp tài liệu

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

- Phương pháp lập trình vi đi u khiển

- Phương pháp thi t k , ch tạo mạch

Ch ngă2: C ăS ăLụăTHUYẾTăH ăTH NGăTRUY Nă

bị điện, đặc biệt là các cụm đi u khiển điện tử, để chia sẻ và trao đổi dữ liệu, các

k t nối và chia sẻ thông tin giữa nhi u máy tính nên được gọi là một mạng Trong trường hợp giao ti p máy tính trong một mạng “ngôn ngữ chung”, (là các quy tắc cho việc truy n dữ liệu) được gọi là giao thức Để mô tả chi ti t hơn v giao thức chúng ta xét các kiểu liên k t như: liên k t vòng, sao và Bus

2.2ăH ăth ngăthôngătinăđaăd n Multiplex (MPX)

Hình 2.2: Tổng quát hệ thống MPX Trên hình 2.2 là sơ đồ khối thể hiện 1 cách tổng quát cấu tạo của 1 hệ thống MPX trên xe Lexus Các hộp ECU giao ti p với nhau thông qua hệ thống MPX với số lượng dây dẫn rất ít

How‟s going?

Where are we going?

It‟s cold today

Long time no see!

Hình 2.4: Giao ti p khi có sử dụng MPX Trên hình 2.4 thể hiện ví dụ trường hợp giao ti p sử dụng MPX, có thứ tự Thông tin được ti p nhận 1 cách rõ ràng Khi mọi người thay phiên nhau lên nói thì người nghe sẽ hiểu được

2.2.1 Khái quát chung

Hình 2.5: Sơ đồ tổng quát hệ thống MPX

How‟s going?

I feel good!

Where are we going?

Just come with me!

Trên hình 2.5 thể hiện sơ đồ tổng quát các ECU thông qua hệ thống MPX dây đơn

để truy n tín hiệu, thông tin với nhau

- MPX là một hệ thống trong đó nhi u ECU được k t nối với nhau bằng một đường truy n tín hiệu đơn (đường truy n) và dữ liệu hay tin nhắn được truy n giữa các ECU qua đường truy n này

- Để áp dụng MPX, Toyota đư phát triển một chuẩn thông tin liên lạc mới tên là BEAN (Body Electronics Area Network – Mạng điện tử thân xe) Hưy lưu ý rằng

một bộ đi u khiển độc lập (ECU) được nối với đường truy n gọi là một “điểm nút” trong MPX Khái niệm này có nghĩa ban đầu là “giao điểm” và để cho bi t một cấu trúc lôgic của mạng Một mạng máy tính bao gồm nhi u cổng và thi t bị “Điểm nút” sẽ số hóa các bộ phận này và quy t định cấu trúc hay chức năng Trong mạng thông tin đa chi u, “nút” có nghĩa là ECU

2.2.2ă uăđiểmăc aăh ăth ngăMPXă

Hình 2.6: Sơ đồ tổng quát giao ti p giữa các ECU không sử dụng hệ thống MPX Trên hình 2.6 là sơ đồ thể hiện việc k t nối giữa các ECU khi không có hệ thống

Hình 2.7: Sơ đồ tổng quát giao ti p giữa các ECU có sử dụng hệ thống MPX Trên hình 2.7 là sơ đồ thể hiện sự giao ti p giữa các ECU sử dụng hệ thống MPX

Số lượng dây dẫn đư được giảm đi, sơ đồ giao ti p cũng được đơn giản hóa đi rất nhi u giúp cho công việc bảo dưỡng, sửa chữa dễ dàng và thuận tiện hơn

Việc áp dụng MPX mang lại những ưu điểm sau:

- Làm giảm số lượng dây điện

- Việc chia sẽ thông tin cho phép giảm số lượng các thi t bị như là công tắc, cảm bi n và các bộ chấp hành

- Do ECU nằm gần công tắc và cảm bi n sẽ đọc thông tin của tín hiệu và truy n tín hiệu đ n các ECU khác, do đó chi u dài dây điện có thể rút ngắn lại

2.2.3ăL chăs ăphátătriểnă

Hình 2.8: Lịch sử phát triển hệ thống MPX trên các mẫu xe của Toyota và Lexus

*1: Liên lạc một chi u tốc độ thấp (Công tắc chính cửa sổ điện đ n ECU thân xe

Trên hình 2.8 thể hiện các mốc thời gian mà hệ thống MPX được Toyota và Lexus

ứng dụng trên các mẫu xe Đầu những năm 1900, hệ thống MPX chỉ được ứng

dụng trên 1 số loại xe và vào thời điểm đó hệ thống MPX là hệ thống liên lạc 1

chi u tốc độ thấp Đ n những năm cuối của thập niên này thì hệ thống MPX đư

được nâng cấp lên là hệ thống thông tin phức đa chi u mở rộng đ n 11 ECU để hỗ

trợ máy chẩn đoán

2.2.4ăCácăđặcăđiểmăchínhăc aăMPX

2.2.4.1ăĐ ngătruy nătínăhi u

Có 2 loại tín hiệu: Tín hiệu tương tự và tín hiệu số

- Tín hiệu tương tự (Analog Signal): là tín hiệu thay đổi liên tục như một dạng

tương tự và dạng mức ON, OFF của tín hiệu số

Hi

Lo

Hình 2.10: Đường truy n của tín hiệu dùng trong hệ thống MPX

Các cực của đường truy n tín hiệu dùng trong hệ thống MPX thường được kí

hiệu là MPX1, MPX2

Khi transistor được bật lên, mức truy n dẫn sẽ trở nên cao và bằng “1”, đi u này được gọi là trạng thái “trội” Khi Transistor tắt đi, mức truy n dẫn trở nên thấp

và bằng “0”, đây là trạng thái “lặn”

N u có bất kì một Nút được nối với đường truy n tín hiệu phát ra “1”, mức tín

hiệu truy n dẫn sẽ là “1” Chỉ khi tất cả các Nút phát tín hiệu “0” sẽ làm cho mức tín hiệu truy n dẫn là “0”

Các chức năng của đường truy n trong quá trình truy n và nhận tín hiệu như sau:

2.2.4.2ăCácălo iăh ăth ngătruy nătínăhi uă

Các phương pháp sau đây được sử dụng để truy n dữ liệu:

- BEAN (Body Electronics Area Network – Mạng điện tử thân xe)

- Thực hiện truy n tín hiệu giữa công tắc chính cửa sổ điện và ECU thân

xe Đây chỉ là việc giao ti p một chi u đ n ECU định trước do hệ thống truy n tín hiệu một chi u

- AVC- LAN (Audio Visual Communication – Local Area Network) (truy n tín

hiệu cho hệ thống nghe nhìn – Mạng cục bộ)

- Truy n dữ liệu nối tiêp

- Tốc độ truy n: 333 bps

- Hệ thống này được dùng trong việc truy n tín hiệu giữa bộ nhận tín hiệu

đi u khiển khóa cửa điện và ECU thân xe,

- Truy n dữ liệu thông minh

- Hệ thống này được dùng trong việc truy n tín hiệu giữa các ECU động

cơ bên trái và ECU động cơ bên phải,

2.2.4.3ăCácămôăhìnhămắcăECUătrongăh ăth ngăMPX

- Kiểu BUS

Các ECU được k t nối chung 1 dây giao ti p đơn:

Hình 2.11: Mô hình kiểu BUS (Được sử dụng trong BEAN và CAN)

Hình 2.11 thể hiện mô hình mắc ECU trong hệ thống MPX theo kiểu BUS, các ECU được k t nối với nhau bằng 1 dây đơn

- Kiểu RING

Các ECU được k t nối thành một vòng tròn:

Hình 2.12: Mô hình kiểu RING Trên hình 2.12 là mô hình thể hiện sự k t nối giữa các ECU theo kiểu RING (vòng tròn)

(Được sử dụng cho LIN và AVC – LAN)

Hình 2.13 là mô hình thể hiện sự k t nối giữa các ECU theo kiểu STAR, các ECU được k t nối với ECU master do đó thông tin trước khi đ n ECU cần nhận thông tin phải đi qua ECU master

2.2.4.4 M chăk tăn iăkhépăkín

Trong hệ thống BEAN, đường truy n tín hiệu không ở dạng thông thường mà ở dạng vòng tròn (dạng RING)

K t quả là độ tin cậy ngăn ngừa mất tín hiệu đường truy n bị đứt tăng lên

Đường truy n thông thường: n u dây bị đứt, liên lạc giữa các ECU sau điểm đứt

sẽ bị mất

Đường truy n BEAN: cấu trúc dạng mạch khép kín cho phép việc liên lạc được

ti p tục bằng cách dùng đường truy n khác n u đường truy n tín hiệu bị đứt

N u đường dây trong mạng bị đứt nhi u hơn một điểm, việc liên lạc sẽ không

thực hiện được

2.2.4.5 Ch ăđ ă“ngh ”ăvƠă“sẵnăsƠng”

Khi sử dụng xe, MPX ở trạng thái “sẵn sàng”, tuy nhiên khi hệ thống nhận thấy

rằng lái xe đư rời khỏi xe, nó sẽ dừng việc liên lạc giữa mọi điểm Nút (ECU) để tránh dòng điện rò Trạng thái này được gọi là “trạng thái nghỉ” Lúc này tất cả các ECU ở trong ch độ ti t kiệm năng lượng ngoại trừ chức năng “phát hiện trạng thái

sẵn sàng”

Khi đang ở ch độ nghỉ, n u có bất kì công tắc có liên quan nào được kích hoạt,

ví dụ như khi tài x mở cửa hay mở khóa cửa bằng chìa, ECU phát hiện thấy có

hoạt động sẽ thoát khỏi ch độ ti t kiệm năng lượng và bắt đầu truy n tín hiệu trở lại

Tại thời điểm đầu tiên của quá trình truy n dữ liệu sau khi đư sẵn sàng, nó sẽ gửi một thông báo “sẵn sàng” đ n các ECU khác để khôi phục hoạt động

Khi khóa điện được đặt ở vị trí ACC hay LOCK và tất cả các cửa đóng và một

thời gian sau khi công tắc cuối cùng hoạt động, các ECU sẽ đồng thời chuyển sang

ch độ nghỉ Khi một ECU khôi phục từ ch độ nghỉ, nó sẽ đánh thức các ECU khác

Hình 2.15: Các trạng thái hoạt động của hệ thống MPX

2.2.5ăCh cănĕngăc aăMPXă(XêriăLSă430,ăUCFă30)

2.2.5.1ăLiênăl cănhi uăđ ngătruy n

Hình 2.16: Sơ đồ khối của hệ thống MPX Tương ứng với những vùng đi u khiển rộng và dữ liệu đi u khiển nhi u lên do

sự đa dạng hóa và khả năng cao hơn của hệ thống thông tin liên lạc, MPX được áp

dụng bao gồm 3 đường truy n (cho bảng táplô, cho hệ thống cửa và cho trục lái) Bao gồm:

BEAN (đường truy n cho bảng táplô) BEAN (đường truy n cho cửa)

BEAN (đường truy n cho trục lái) ECU trung tâm

Đường truy n dự trữ

2.2.5.2 Cácăb ăph năc aăm ngă

Một mạng bao gồm các máy tính (ECU) xử lí dữ liệu chung và quan trọng yêu cầu cho việc đi u khiển cơ bản từng bộ phận Do đó, thậm chí n u lỗi cục bộ xảy ra

ECU trung tâm thực hiện chức năng đi u khiển trung tâm cho cả 4 mạng liên

lạc, bao gồm 3 mạng cho thân xe (BEAN) và một mạng cho hệ thống nghe nhìn (AVC – LAN)

Hình 2.17: Sơ đồ khối của hệ thống MPX

Đường truy n dự trữ: Việc bảo vệ hệ thống chi u sáng (đèn signal, đèn hậu, đèn phanh, và đèn sương mù sau) trong trường hợp việc liên lạc bị gián đoạn do hư hỏng trong đường truy n trục lái, một đường truy n dự trữ được thi t k giữa công

tắc tổ hợp, ECU đi u khiển hộp đầu nối “ECU J/B” phía lái xe và ECU J/B khoang hành lí

Đường dây dự phòng: được thi t k giữa công tắc tổ hợp và ECU đèn phía

Từng ECU được nối vào đường truy n cho hệ thống cửa (đường MPX) truy n và

nhận dữ liệu đi u khiển chủ y u liên quan đ n hệ thống đi u khiển cửa sổ điện, hệ

thống đi u khiển gh điện, hệ thống đi u khiển khóa cửa, hệ thống chống trộm

*1: Không có hệ thống chìa thông minh

*2: Có hệ thống chìa thông minh

*3: Có hệ thống gạt mưa tự động (nhận bi t trời mưa)

- Các ECU liên quan đ n đường truy n của hệ thống cửa

B ng 2.19: Các ECU liên quan đ n đường truy n của hệ thống cửa

- Bố trí của các ECU

Hình 2.20: Bố trí các ECU trong hệ thống cửa

2.2.5.4ăĐ ngătruy năc aăh ăth ngătr căláiă

- Khái quát

Từng ECU được nối vào đường truy n cho hệ thống trục lái (đường MPX) truy n và nhận dữ liệu đi u khiển liên quan chủ y u đ n hệ thống chi u sáng, cửa khoang hành lí, chúng cung cấp dữ liệu v các công tắc khác nhau đ n các mạng khác qua ECU trung tâm

Để đ phòng lỗi xảy ra trong đường truy n của hệ thống trục lái, một đường truy n dự trữ cho hệ thống chi u sáng (đường truy n một chi u) được nối từ ECU công tắc tổ hợp đ n ECU đi u khiển hộp đầu nối “ECU J/B” phía lái xe đ n ECU J/B khoang hành lí

*1: Với hệ thống hỗ trợ đỗ xe LEXUS

*2: Với hệ thống k t nối LEXUS