Thiết kế, chế tạo máy chẩn đoán ô tô thông qua mạng CAN

Nội dung text: Thiết kế, chế tạo máy chẩn đoán ô tô thông qua mạng CAN

1. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY CHẨN ĐOÁN Ô TÔ THÔNG QUA MẠNG CAN [1]PGS.TS Đỗ Văn Dũng. , [2]KS Nguyễn Văn Ngọc Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM [1]dodzung@hcmute.edu.vn, [2]nguyenvanngoc@hvct.edu.vn Tóm tắt Ngày nay, công nghê ̣ô tô có những phát triển vươṭ bâc̣ , các hệ thống trên ô tô được trang bị hiện đại như hệ thống phun xăng điêṇ tử , hê ̣thống đánh lử a điêṇ tử , hê ̣thống điều hòa không khí tư ̣ đôṇ g , hê ̣thống phanh chống ham̃ cứ ng , hê ̣ thống treo điêṇ tử , hê ̣thống kiểm soát khí thải .làm cho việc kiểm soát các hệ thống trên ô tô trở nên phứ c tap̣ hơn. Do đó, nhu cầu phải có môṭ hê ̣thống chung vừ a có thể kiểm soát lươṇ g khí thải gây ô nhiêm̃ môi trường và vừa có thể giám sát các hệ thống điện tử cũng như cơ khí trên ô tô là ộm t đòi hỏi cấp thiết. Hê ̣thống maṇ g CAN ra đời đáp ứ ng đầy đủ các yêu cầu trên và nhanh chóng trở thành hê ̣thống không thể thiếu trên ô tô hiêṇ nay . Từ đó, viêc̣ chẩn đoán lỗi hư hỏng trên ô tô tr ở nên phụ thuộc vào các thiết bi ̣và phần mềm chuyên dùng đắt tiền . Chế taọ máy chẩn đoán ô tô với chi phí thấp dê ̃ sử duṇ g trong các traṃ sử a chữa ô tô và trong các trường daỵ nghề là sự cần thiết . Từ khóa: CAN, Chuẩn OBD – 2, Máy chẩn đoán ô tô thông qua maṇ g CAN. Abstract Today, automotive technology have developed dramatically, Many systems on modern cars are equipped with eletronic control modules such as : electronic fuel injection, electronic ignition, automatical air conditioning, ABS brake, electronic suspension, automatic emission control, etc. These innovations make automobile control become more and more complicated, so that the demand of a common system which can both control the quality of harmful gases emission as well as monitor all other electronic and mechanical system on automobile is an imperative requirement. CAN system is produced to response the former requirements and soon be an indispensable part in today’s car. Since then, fault and damaged diagnosis on modern cars strongly depend on high-priced dedicated devices and softwares. For manufacturing automotive diagnostic divice via CAN with cheaper cost for using in automotive service stations and vocational schools is the neccessary. Keyword: CAN, Standar OBD – 2, Automotive diagnostic via CAN. 1. Giới thiệu CAN (Controller Area Network) là giao thức giao tiếp nối tiếp hỗ trợ mạnh cho những hệ thống điều khiển thời gian thực phân bố (Distributed Realtime Control System) với độ ổn định, bảo mật và chống nhiễu cực tốt. Ngay từ khi mới ra đời, CAN đã được chấp nhận và ứng dụng một cách rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp, chế tạo ô tô. Qua thời gian, CAN ngày càng trở nên thông dụng hơn vì tính hiệu quả, ổn định, đơn giản và chi phí thấp. Nó được sử dụng trong việc truyền dữ liệu lớn, tốc độ cao, ổn định và đáp ứng thời gian thực trong nhiều môi trường khác nhau. Đó là lý do tại sao chúng được sử dụng trong rất nhiều các ngành công nghiệp Hình 2.1: Ví dụ về mạng CAN khác nhau bên cạnh ngành công nghiệp ô tô như máy nông Công nghệ cáp của mạng CAN có đường dây dẫn đơn nghiệp, tàu ngầm, dụng cụ y khoa, máy dệt, v.v Ngày giản, giảm tối thiểu hiện tượng sự đội tín hiệu. Sự truyền tín nay, CAN đã được chuẩn hóa thành tiêu chuẩn ISO 11898. hiệu thực hiện nhờ cặp dây chuyền tín hiệu vi sai, có nghĩa Điểm nổi trội nhất ở chuẩn CAN là tính ổn định và an toàn là chúng ta đo sự khác nhau giữa hai đường (CANH và (reliability and safety). Nhờ cơ chế phát hiện và xử lý lỗi CANL). Đường dây Bus kết thúc bằng điện trở 120 Ohm cực mạnh, lỗi CAN messages hầu như được phát hiện. Theo (Thấp nhất là 108 Ohm và cao nhất là 132 Ohm) ở mỗi đầu. thống kê, xác suất để một message của CAN bị lỗi không Mạng CAN được tạo thành bởi một nhóm các Nodes. được phát hiện (mô tả hình 1.1) Mỗi Node có thể giao tiếp với bất kỳ Nodes nào khác trong mạng. Việc giao tiếp được thực hiện bằng việc truyền đi và nhận các gói dữ liệu – gọi là thông điệp. Mỗi loại thông điệp trong mạng CAN được gán cho một ID – số định danh – tùy theo mức độ ưu tiên của thông điệp đó. Hình 1.1: Tính ổn định của CAN Ví dụ cho rằng, giả sử cứ 0.7s thì môi trường tác động lên đường truyền CAN làm lỗi 1 bít, và giả sử tốc độ truyền là 500 Kbit/s, hoạt động trong 8h/ngày và 365 ngày/năm thì trong vòng 1000 năm, trung bình sẽ có 1 frame lỗi bị lỗi mà không được phát hiện. Hình 2.2: Một nút mạng CAN 2. Khái quát về giao thức CAN Mạng CAN thuộc loại Message Base System, khác với Chuẩn đầu tiên của CAN là chuẩn ISO 11898-2 Address Base System, mỗi loại thông điệp được gán một định nghĩa các tính chất của CAN High Speed.Một ví dụ về ID. Những hệ thống Address Base System thì mỗi Node mạng CAN trong thực tế: được gán cho một ID. Message Base System có tính mở
2. hơn vì khi thêm hoặc bớt một Node hay thay một nhóm dây cung cấp nguồn, 1 dây nối đất và 1 dây cung cấp tính Node phức tạp hơn không làm ảnh hưởng đến cả hệ thống. hiệu, thật sự không phải là mới và đã được sữ dụng ở các Có thể có vài Node nhận và cùng thực hiện một nhiệm vụ. lĩnh vực truyền thông từ nhiều năm qua, các tín hiệu khác Hệ thống điều khiển phân bố dựa trên mạng CAN có tính nhau có thể được đa hợp vào 1 đường dây theo 2 phương mở, dễ dàng thay đổi mà không cần phải thiết kế lại toàn bộ pháp đa hợp theo cách chia tần số và đa ợh p chia theo thời hệ thống. gian. Theo cách chia theo tần số thì tương tự theo cách thức Mỗi Node có thể nhận nhiều loại thông điệp khác nhau, truyền tín hiệu radio, cách này giúp đơn giản hóa 1 vật thể ngược lại, một thông điệp có thể được nhận bởi nhiều phức tạp, nhưng một dạng của đa hợp chia theo thời gian Nodes và công việc được thực hiện một cách đồng bộ trong được sử dụng chủ yếu cho việc trao đổi tín hiệu số. hệ thống phân bố. Một mạng điện kín hay là hệ thống dây điện đa hợp được ID của thông điệp phụ thuộc vào mức độ ưu tiên của thể hiện trên (hình 2.30) cho thấy rằng dây cáp đường thông điệp. Điều này cho phép phân tích thời gian đáp ứng truyền dữ liệu và dây cung cấp nguồn phải “đi qua” tất cả của từng thông điệp. Ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế các khu vực của hệ thống điện tử trên xe. Để mô tả hoạt hệ thống nhúng thời gian thực. Trước khi có mạng CAN, động của hệ thống này chúng ta cần phân tích hoạt động lựa chọn duy nhất cho mạng giao tiếp trong hệ thống thời liên quan trong việc bật đèn kích thước sáng và tắt. Đầu tiên gian thực là mạng Token Ring chậm chạp. để đáp lại hoạt động ấn công tắt của người lái, một tín hiệu đặt biệt được đưa lên đường truyền dữ liệu, tín hiệu này chỉ được nhận biết bởi các thiết bị thu nhận đặc biệt được thiết lập như một phần của mỗi cụm đèn và các thiết bị này trở thành cụm kết nối giữa hệ thống dây điện đa hợp và đèn. Các hiện tương tự khi tắt đèn ngoại trừ mã code được chuyển vào đường truyền dữ liệu sẽ khác và sẽ chỉ được nhận biết bởi bộ thu nhận tương ứng cho tín hiệu tắt Hình 2.3: Mô hình mạng CAN 3. Ứng dụng mạng CAN trên xe ô tô : 3.1. Những hạn chế của dây điện thông thường: Hình 3.1: Mô tả đường truyền đa hợp. Sự phức tạp của các hệ thống dây điện hiện đại đã và 3.2. Đường truyền dữ liệu đa hợp: đang tăng lên không không ngừng trong 25 năm vừa qua và Để truyền các dữ liệu khác nhau trên cùng 1 đường dây, đặc biệt tăng nhanh trong những năm gần đây. Ngày nay nó một số các tiêu chuẩn cần được xác định 1 cách cần thận và đã đạt đến điểm ngưõng mà kích thước và khối lượng của phù hợp. Điều này được biết trong hệ thống biểu mẫu của bộ dây là một vấn đề nan giải. số lượng dây điện riêng lẽ hệ thống truyền tin. Một số giá trị cần được xác định đó là: cần cho một xe hơi hiện đại vào khoảng 1500 dây. Bó dây - Phương pháp xát định vị trí cần để kiểm soát tất cả chức năng của hệ thống cửa bên - Sự liên tục trong truyền tin người lái có thể lên 50 dây, hệ thống dây dùng cho bảng - Kiểm soát tín hiệu điều khiển có thể cần đến trên 100 dây và các giắc nối. Điều - Phát hiện lỗi này rõ ràng là một vấn đề, ngoài ra các vấn đề hiển nhiên - Tốc độ truyền tải khác về kích thước, khối lượng, số lượng giắc nối, và số Loại vật liệu chế tạo cũng phải được xát định và thống lượng dây điện càng tăng lên cũng làm tăng khả năng bị lỗi nhất, bao gồm: của hệ thống. Người ta đánh giá rằng độ phức tạp của các hệ - Truyền tải trung bình: dây đồng sợi quang học thống dây điện trên ô tô tăng lên gắp đôi vào ỗm i 10 năm. - Loại truyền tải mã: mô hình hóa và số hóa Tất cả các hệ thống được liệt kê ở trên làm việc độc lập - Loại truyền tín hiệu: điện thế, dòng, tần số với nhau nhưng giữa chúng cũng có các ốm i liên hệ. Nhiều Mạch điện đạt được các tiêu chuẩn trên được biết như 1 loại cảm biến cung cấp dữ liệu đầu vào cho một bộ điều đường truyền giao tiếp và sẽ thường có 1 dạng mạch điện khiển điện tử được dùng chung cho tất cả hay một vài hệ thích hợp. Trong 1 số trường hợp, mạch IC này sẽ có các thống khác. Một giải pháp cho vấn đề này là sử dụng một mạch điện ngoài có dạng 1 bộ nhớ. Tuy nhiên để đáp ứng máy tính chung để điều khiển tất cả các hệ thống. Điều này được nhu cầu về số lượng lớn trên ô tô thì giá của những sẽ rất tốn kém cho sản xuất với số lượng nhỏ và giải pháp mạch điện này cần phải hợp lý. Dù được mô tả chung trong thứ 2 là sử dụng một đường truyền chung, giải pháp này sẽ bất kỳ hệ thống mẫuu nào thì người ta cũng hi vọng là chỉ 1 cho phép trao đổi giữa các hệ thống và sẽ làm cho thông tin loại được sử dụng. Tuy nhiên, điều này không phải lúc nào từ các cảm biến khác nhau trên xe có hiệu lực đối với các cũng được xem xét cảm biến khác. Nhiều loại cảm biến và cơ cấu chấp hành vẫn chưa thể Phát triển ý tưởng này xa hơn nếu các giữ liệu có thể nối vào mạng truyền dữ liệu và dù rằng các mẩu ô tô đã được trao đổi (vận chuyển) dọc theo 1 đường dây có giá trị được chế tạo, các hệ thống dây điện thông thường vẫn sử dụng cho tất cả các hệ thống trên ô tô, khi đó hệ thống không thể được thay thế hoàn toàn. Các bộ giao tiếp điện tử dây điện trên xe có thể được giảm xuống chỉ còn 3 dây: 1
3. cần phải được bố trí gần hơn hay tốt nhất là tích hợp vào CANL, CAN sẽ tiến hành liên lạc dựa trên sự chênh lệch các cảm biến và các thiết bị chấp hành. Đặc biệt trong điện áp. trường hợp các cảm biến của động cơ và các cơ cấu chấp Rất nhiều ECU (Cảm biến) lắp trên xe hoạt động bằng hành hoạt động trên nguyên lý nhiệt và dao động. Điều này cách chia sẻ thông tin và liên lạc với nhau. CAN có 2 điện sẽ đòi hỏi sự phát triển cao hơn để có thể đảm bảo độ tin trở 120Ω cần thiết để liên lạc với dây tín hiệu đường truyền cậy và giá thành thấp. chính. Dây tín hiệu đường truyền chính là dây điện nối giữa hai điện trở cực trên đường truyền (đường dây liên lạc). Đây là đường truyền chính trong hệ thống thông tin liên lạc CAN. Dây tín hiệu nhánh là dây điện được chia ra từ dây đường truyền chính đến một ECU hay một cảm biến. Hai điện trở 120 Ω được lắp song song qua hai đầu của dây tín hiệu đường truyền chính của hệ thống CAN. Chúng được gọi là các điện trở cực. Những điện trở này cho phép bù lại sự thay đổi về điện áp giữa các dây tín hiệu đường truyền CAN để đảm bảo việc đánh giá được chính xác. Để hệ thống liên lạc CAN hoạt động được chính xác, Hình 3.2: Mô hình mạng CAN trên xe phải lắp cả hai điện trở cực. Do hai điện trở được lắp song Và một ứng dụng ưu việc của mạng CAN hiện nay là có song, nên giá trị điện trở giữa hai dây đường truyền CAN thể làm đường truyền dữ liệu cho phép giao tiếp với các phải là xấp xỉ 60 Ω. ECU trên ô tô. Đường truyền CAN có hai mạch cực với mỗi mạch có một điện trở 120 Ω. Đường truyền CAN có thể truyền dữ liệu với tốc độ cao 500 kbps. Trục trặc trong đường truyền CAN có thể được kiểm tra qua giắc DLC3 (trừ khi có đứt dây ngoài dây nhánh của DLC3). Khi đó không thể dùng đồng hồ đo trực tiếp vào giắc nối DLC3 khi sửa chữa 3.4. Các chuẩn giao tiếp OBD – 2: OBD - 2 là sự cải tiến của OBD -1 với các chức năng đa dạng hơn. Các tiêu chuẩn OBD - 2 quy định các loại gắc nối và vị trí các chân, cũng như quy định giao thức của tính Hình 3.3: Mạng giao tiếp CAN với ECU hiệu và định dạng tin thông báo. Có một chân trong giắc chẩn đoán cấp nguồn cho máy chẩn đoán từ bình ắc quy của 3.3. Sơ đồ mạng CAN trên xe Honda Civic xe, điều này giúp hạn chế cấp nguồn bên ngoài cho máy chẩn đoán. Tuy nhiên, nhiều kỹ thuật viên vẫn sử dụng nguồn điện bên ngoài để bảo vệ dữ liệu trong trường hợp bình ắc quy xe gặp sự cố bất ngờ. OBD -2 cũng cung cấp một danh sách các mã lỗi đã được tiêu chuẩn hóa. Với cách này, một máy chẩn đoán có thể truy cập vào bộ nhớ của hệ thống trên bất kỳ chiếc xe nào. 3.4.1. Giắc chẩn đoán OBD -2 : Giắc chẩn đoán OBD – 2 hay còn gọi là DLC ( Diagnostic Link Connector) có chức năng chính là kết nối máy Scan với các thiết bị điều khiển của hệ thống OBD - 2 . DLC phải tuân theo các quy định của SAE J1962. Theo đó, DLC phải được đặt bên trong xe cách vô – lăng khoảng 16 inches. Nhà sản xuất có thể đặt chúng tại 1 trong 8 vị trí được quy định bởi EPA. Hình 3.4: Sơ đồ mạng CAN trên xe Honda Civic CAN (Control Area Network - Mạng điều khiển cục bộ) là một hệ thống truyền dữ liệu nối tiếp ứng dụng thời gian thực. Nó là một hệ thống thông tin phức hợp có tốc độ truyền cao và khả năng phát hiện ra hư hỏng. Bằng cách kết hợp dây tín hiệu đường truyền CANH và Hình 3.5. Giắc chẩn đoán OBD – 2
4. Mỗi chân trong giắc chẩn đoán điều có chức năng riêng. tiếp sẽ tiếp tục cho tới khi máy chẩn đoán tự kết thúc hoặc Tuy nhiên, chức năng của một số chân còn phụ thuộc vào kết nối bị ngắt. nhà sản xuất. Những chân này không nhất thiết phải được dùng trong điều khiển của OBD -2. Nó có thể dùng trong hệ 3.4.3 Giao thức ISO 9141-2 thống SRS hoặc ABS. Giao thức này được ra đời bởi Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế Có thể thấy những kí tự sau trên giắc như J1850, CAN ISO (International Standard Organization). Hầu hết các xe hay ISO 9141-2. Đó là những giao thức chẩn đoán được quy của châu Âu, châu Á và một vài xe của Chrysler sử dụng định bởi SAE và ISO. Các nhà sản xuất có thể lựa chọn một giao thức này. trong các thức này cho hệ thống của họ. Mỗi tiêu chuẩn có Đây là giao thức đơn giản nhất trong các chuẩn giao tiếp một chân đặt biệt để giao tiếp. Ví dụ : xe Ford giao tiếp ở của OBD-2. Tốc độ truyền tải dữ liệu của giao thức này là chân số 2 và chân số 10, GM là chân số 2. Hầu hết xe ở 10.4 KBaud. châu Á và châu Âu giao tiếp ở chân số 7 và một số khác ISO 9141 sử dụng 2 dây để giao tiếp: K và L. K là dây tín giao tiếp ở chân số 15. hiệu hai chiều. Điều đó có nghĩa là, dữ liệu có thể được truyền từ máy chẩn đoán đến xe và ngược lại. L là dây tín 3.4.2. Mã lỗi : hiệu một chiều, dữ liệu chỉ có thể di chuyển từ máy chẩn Mã lỗi ( DTC – Diagnostic Trouble Codes) là cách để đoán tới xe. OBD -2 xác định và thông báo cho kỹ thuật viên vị trí của sự cố trên xe. Một mã lỗi được hình thành từ 1 chữ cái và 4 chữ số, được quy định bởi tiêu chuẩn SAE J2012. Hình 3.7: Sơ đồ khối chuẩn giao tiếp ISO 9141 Khi kết nối dây K vào máy đo sóng, ta sẽ thu được tín hiệu có dạng sóng sau: Hình 3.6: ý nghĩa các ký tự trong một mã lỗi Mỗi ký tự điều có một ý nghĩa riêng. Chữ cái đầu tiên cho biết bộ phận nào của xe hư hỏng. Vị trí này có thể xuất hiện 1 trong 4 chữ cái: P = Powertrain: Lỗi này nằm ở động cơ và ệh thống truyền động . Hình 3.8: Dạng sóng của giao thức ISO 9141-2 B = Body: Lỗi này liên quan tới thân xe. C = Chassis: Lỗi này thuộc hệ thống khung Tuy nhiên, hệ thống sử dụng chuẩn ISO 9141 không thể gầm. trực tiếp kết nối với một máy tính vì sự chênh lệch mức U = Network communication: Lỗi này thuộc điện áp: mạng CAN. Dữ liệu RS-232 từ máy tính di chuyển Chữ số thứ hai cho biết ai xác định mã lỗi – SAE hay nhà dưới dạng sóng vuông với hai mức điện sản xuất. áp là +10V và -10V. 0 – Mã lỗi được quy định bởi SAE. Dữ liệu từ hệ thống chuẩn ISO 9141 có 1 – Mã lỗi được quy định bởi nhà sản xuất, dạng sóng vuông nhưng với hai mức điện do đó phải có bảng mã lỗi riêng của nhà sản áp là +12V và 0V (mass). xuất để kiểm tra. Để giải quyết vấn đề này, có thể sử dụng một mạch Chữ số thứ ba là chữ số quan trọng và hữu ích nhất. Nó chuyển đổi điện áp đơn giản. cho biết chính xác hệ thống nào gặp vấn đề mà không phải tra bảng mã lỗi. Nó giúp kỹ thuật viên nhanh chóng xác khu 3.4.4. Giao thức SAE J1850 VPW vực hư hỏng để đưa ra các biện pháp sửa chữa. VPW – Variable Pulse Width. Nó được sử dụng rất phổ Hai chữ số cuối cùng có liên quan tới những mã lỗi của biến trên các xe của hãng GM. Tốc độ truyền tải dữ liệu của hệ thống OBD -1. OBD-1 chỉ sử dụng mã lỗi với 2 ký tự. giao thức này là 10.4Kb/s. OBD -2 thêm 2 ký tự đó tạo thành mã lỗi riêng. Điều này J1850 VPW sử dụng một dây tín hiệu hai chiều để giao giúp cho việc xác định lỗi trở nên dễ dàng hơn. tiếp. 3.4.3.Các chuẩn giao tiếp OBD-2 OBD-2 sử dụng nhiều giao thức khác nhau. Một số giao thức cơ bản như: J1850-VPW, J1850-PWM, ISO 9141, KWP2000,ISO 15765. Các hệ thống trên xe được kết nối với nhau tạo ra một mạng lưới. Khi kết nối máy chẩn đoán với mạng lưới này, máy sẽ giữ tín hiệu tới một thiết bị điều khiển nhất định mà nó muốn giao tiếp và thiết bị này sẽ gửi phản hồi. Việc giao Hình 3.9: Sơ đồ khối chuẩn giao tiếp SAE J1850 VPW
5. bao gồm các lớp ứng dụng trong mô hình OSI cua mạng Khi nối hệ thống VPW vào máy đo sóng, ta thu được tín máy tính. Giao thức này được tiêu chuẩn hóa bởi Tổ chức hiệu có dạng sóng sau: tiêu chuẩn quốc tế và được biết đến với tên ISO 14230. Giống như giao thức ISO 9141, KWP2000 cũng sử dụng 2 dây tín hiệu, với K-Line là đường tín hiệu 2 chiều và L- Line là đường tín hiệu 1 chiều. Hình 3.10: Dạng sóng của giao thức SAE J1850 VPW Tuy nhiên, cũng giống như ISO 9141, giao thức này không thể trực tiếp kết nối trực tiếp với máy tính.Và yêu Hình 3.13: Sơ đồ khối chuẩn giao tiếp ISO 14320 cầu về một giao thức thông minh trở nên cần thiết hơn. KWP2000 3.4.5. Giao thức SAE J1850 PWM Tốc độ truyền tải dữ liệu của giao thức này là 1.2 – PWM – Pulse Width Modulation. Đây là ộ m t giao thức 10.4 kBaud và mỗi thông báo có thể chứa tới 255 byte dữ phổ biến, được sử dụng trên các xe của hang Ford. Tốc độ liệu. truyền tải dữ liệu của giao thức này là 41.6 Kb/s. KWP2000 cũng tương thích trên giao thức ISO PWM sử dụng hai dây tín hiệu là Bus+ và Bus-. Hai dây 11898 (CAN) hỗ trợ truyền tải tốc độ cao lên đến 1Mb/s. này đều có khả năng truyền tải dữ liệu hai chiều. Khi kết nối hệ thống KWP2000 vào máy đo sóng, ta sẽ thu được tín hiệu có dạng sóng sau: Hình 3.11: Sơ đồ khối chuẩn giao tiếp SAE J1850 PWM Khi kết nối hệ thống PWM vào máy đo sóng, ta sẽ thu Hình 3.14: Dạng sóng của giao thức KWP2000 được tín hiệu có dạng sóng sau: 3.4.7. Giao thức ISO 15765 CAN Tốc độ truyền tải dữ liệu của giao thức này ở 2 mức là 250kBit/s hoặc 500kBit/s. Giao thức CAN được BOSCH phát triển cho ngành công nghiệp ô tô. Không giống như các giao thức khác của OBD-2, CAN được sử dụng rộng rãi cho nhiều ngành công nghiệp khác. Từ năm 2008, tất cả xe được bán trên thị trường nước Mỹ đều bắt buộc phải sử dụng CAN làm chuẩn giao tiếp trong hệ thống điều khiển. Hình 3.12: Dạng sóng của giao thức SAE J1850 PWM Chân 6: CAN High. Chân 14: CAN Low Giao thức PWM tương tự như mã Morse – dữ liệu được mã hóa với những xung dài và ngắn liên tiếp. Tín hiệu trên dây Bus- được đảo ngược với tín hiệu trên dây Bus+. Việc sử dụng hai dây tín hiệu mang cùng thông tin là để chống nhiễu từ môi trường bên ngoài. Trong không khí có rất nhiều sóng điện từ khác nhau và những sóng này có thể gây ra xung nhiễu trên các dây dẫn và làm nhiễu thông tin. Nếu chỉ có một dây tín hiệu, nó có thể dễ dàng gây nhiễu hệ thống điện và bật một chức năng Hình 3.15: Sơ đồ khối chuẩn giao tiếp ISO 15765 CAN bất kì của xe. Điều này có thể gây nguy hiểm nếu không được kiểm soát. Hệ thống sử dụng hai dây tín hiệu có thể tránh được tình trạng này. Sóng điện từ bên ngoài tạo ra những xung nhiễu giống nhau trên mỗi dây, nhưng hệ thống chỉ chấp nhận những xung có giá trị giống nhau nhưng có giá trị đối ngược. Như vậy, hệ thống sẽ không bị nhiễu. 3.4.6. Giao thức ISO 14230 KWP2000 Keyword Protocol 2000 hay KWP2000, là một giao thức Hình 3.16: Dạng sóng của giao thức ISO 15765 CAN
6. 4.Thiết kế các mạch điện cơ bản của máy 4.3. Mạch Vehicle interface 4.1. Mạch nguồn Hình 4.1: Sơ đồ mạch nguồn cấp 5V và 3.3V Mạch nguồn sử dụng IC ổn áp KA7085 (SMD) và LM1117/3.3v để tạo nguồn 5V và 3.3V. Trong đó nguồn 3.3V được cấp cho MCU và khối giao tiếp máy tính sử dụng chip PL2303. Nguồn 5V được cấp cho chip MCP2515 (Chip này không hoạt động ở nguồn 3.3V, nhưng mức tín hiệu vẫn nhận ở mức 3.3V). 4.3.2 Mạch MCU PIC24HJ64GP506 là dòng vi điều khiển 16 bit do hãng Microchip cung cấp. Đây là dòng PIC khá mạnh với tốc độ hoạt động lên đến 40MHz, hỗ trợ nhiều tính năng cần thiết cho 1 vi điều khiển: - 64KB bộ nhớ chương trình và dữ liệu (Internal Flash) Hình 4.3: Mạch Vehicle Interface - 8KB bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên (RAM) - 9 bộ đếm chương trình (timer) 16 bit Mạch vehicle interface là phần mạch giao tiếp giữa máy - 2 USART – bộ truyền nhận nối tiếp chẩn đoán ớv i xe thông qua giắc chẩn đoán OBDII. - 1 mô-đun CAN – truyền nhận giao thức CAN Phần mạch này được thiết kế để máy chẩn đoán có thể hoạt - 53 chân vào/ra động với tất cả các giao thức của chuẩn OBDII (gồm 5 giao thức: VPW, PWM, ISO-9141, KWP2000 và CAN). 4.2. Mạch MCU Trong giới hạn của đề tài này, chúng ta chỉ sử dụng giao thức CAN. Phần sơ đồ mạch giao thức CAN đã được kiểm chứng thông qua hoạt động thực tế của máy chẩn đoán. Phần mạch giao tiếp của các giao thức khác chỉ mang tính chất tham khảo và mở rộng về sau, cần phải được kiểm chứng qua hoạt động thực tế. Với giao thức CAN, đề tài sử dụng IC truyền nhận CAN SN65HVD1050 do hãng TI (Texas Instrument) cung cấp. Truyền dữ liệu đến xe: IC nhận dữ liệu từ chân CANTX của vi điều khiển, chuyển đổi đặc tính điện cho phù hợp với chuẩn CAN và truyền đến xe qua 2 chân CAN_H và CAN_L Nhận dữ liệu từ xe: IC nhận dữ liệu trên 2 chân CAN_H và CAN_L, chuyển đổi đặc tính điện và truyền đến vi điều khiển PIC qua chân CANRX. 4.4. Mạch LCD Interface: Phần hiển thị của máy chẩn đoán sử dụng LCD graphic độ phân giải 128x64 điểm ảnh với chip điều khiển LCD KS0108. LCD này gồm 2 phần màn hình, mỗi phần 64x64 điểm ảnh được điều khiển riêng biệt bởi 2 chân lựa chọn chip CS1, CS2. LCD D0 – LCD D7: 8 đường dữ liệu, nối với port D của vi điều khiển PIC LCD CS1, LCD CS2: 2 chân lựa chọn chip điều khiển LCD Hình 4.2: Mạch MCU sử dụng PIC24HJ64GP506A LCD R/W: chân xác định trạng thái đọc/ghi tới LCD
7. LCD RS: chân reset LCD LCD E: chân enable LCD 5.3. lưu đồ thuật toán: Biến trở 10k sử dụng để điều chỉnh độ tương phản của LCD Hình 4.4: Sơ đồ mạch LCD Interface 5. Chế tạo máy chẩn đoán ô tô thông qua mạng CAN 5.1. Sơ đồ mạch in lớp trên và vị trí linh kiện Hình 5.3: Lưu đồ thuật toán điều khiển 5.4. Máy chẩn đoán được chế tạo: Hình 5.1: Sơ đồ mạch in lớp trên và vị trí linh kiện 5.2. sơ đồ mạch in lớp dưới : Hình 5.2: Sơ đồ mạch in lớp dưới Hình 5.4: Cấu taọ máy chẩn đoán
8. Cấu tạo máy chẩn đoán được trình bày tại hình 5.1 gồm các bộ phận chính như sau: 5.6. Thực nghiệm chẩn đoán trên xe Honda Civic Dây kết nối gồm có một đầu kết nối với máy chẩn đoán 5.6.1. Kết nối máy chẩn đoán với xe: theo tiêu chuẩn OBD -2. Khi kết nối dây với xe nếu chưa bâṭ khó a thì màng hình se ̃ hiển thi ̣ là không thể kết nối với xe và nếu công t ắc máy ở vị trí ON màn hình se ̃ hiển thi ̣ data link tứ c là máy đang kết nối. Nguồn điêṇ cung cấp cho máy lấy trưc̣ tiếp từ nguồn ắc quy thông giắc chần đo án. Khi kết nối máy với xe thì đèn led báo nguồn sáng. Các phím điều khiển bao gồm : phím DTC dùng điều khiển hiển thị từng mã lỗi trên màn hình LCD và phím Eraser dùng để xóa các mã lỗi trên xe khi kỹ thuật viên đã sửa chữa xong. Khi nhấn phím eraser màng hình se ̃ lêṇ h xóa lỗi nếu tiếp tuc̣ nhấn thì màng hình se ̃ hiển thi ̣xóa lỗi thành công. Màn hình hiển thị LCD: có nhiệm vụ hiển thị các mã lỗi động cơ trên xe và hiển thị câu lệnh cần thiết giúp người sử dụng dễ dàng. Khi muốn xem mã lỗi tiếp theo bằng cách nhấn phím DTC màn hình LCD sẽ hiển thị các lỗi nếu có. Khi ta muốn xem lại mã lỗi đầu tiên ta sẽ nhấn phím DTC màn hình LCD trả lại mã lỗi ban đầu. 5.5. Sơ đồ thí nghiệm máy chẩn đoán: Hình 5.5 : kết nối máy với xe 5.6.2. Vận hành chẩn đoán: Hình 5.6 : Màn hình hiển thị hiện tại xe không có mã lỗi Máy kết nối thành công và nàm hình LCD sẽ hiển thị như trên tức là xe hiện tại xe không có lỗi hư hỏng. khi đó ta bậc khóa ở vị trí ON và khởi động động cơ lúc này động cơ làm việc trong khoảng 2 – 5 giây thì đèn báo lỗi sẽ tắt. Mục đích của đèn báo lỗi là để báo cho tài xế biết khi có vấn đề với hệ thống trên xe. Nguyên nhân khiến đèn báo lỗi sáng bắt nguồn từ những lỗi động cơ. Mỗi động cơ hiện đại có rất nhiều những cảm biến làm nhiệm vụ thu thập thông tin, đưa về cho bộ xử lý trung tâm ECM. Khi mất tín hiêu từ cảm biến hoặc giá trị thu được vượt quá giới hạn cho phép, ECM quy về chế độ lỗi và bật đèn để báo cho tài xế biết. Đèn báo lỗi cũng sáng khi các thành phần cơ học bị mất Hình 5.5: Sơ đồ thí nghiệm máy chẩn đoán ô tô thông qua kiểm soát. Những lỗi đó được ECM đưa vào bộ nhớ, các kỹ mạng CAN
9. thuật viên chỉ cần truy vấn bộ nhớ này là có thể biết được chẩn đoán ớv i xe màn hình sẽ hiển thị đang có 4 lỗi. Nhấn nguyên nhân hỏng hóc thông qua hệ thống OBD -2 và có nút DTC để hiển thị từng mã lỗi và kỹ thuật viên sẽ căn cứ cácbiện pháp sửa chữa vào mã lỗi được hiển thị để sửa chữa dễ dàng. 5.6.3. Chẩn đoá n lôĩ cảm biến nhi ệt độ không khí nạp 5.6.5. xóa mã lỗi : trên xe Honda Civic Hình 5.7 : Màn hình hiển thị mã lỗi nhiệt ộ không khí nạp trên xe Honda Civic Hình 5.9: Màn hình hiển thị xóa mã lỗi trên xe Khi có một cảm biến trên động cơ bị sự cố (trong trường hợp này giắc bộ đo gió được mở). Ta quan sát đèn báo lỗi Qua thí nghiệm kiểm tra máy kết nối được với các xe có trên táp – lô xe sẽ sáng khi kết nối máy chẩn đoán ớv i xe đường truyền CAN và đọc được các lỗi hư hỏng trên xe màn hình sẽ hiển thị như trên. Bộ đo gió đang có 4 lỗi. nhấn đúng theo yêu cầu của nhà sản xuất và Iso và được hiển thị nút DTC để hiển thị từng mã lỗi và kỹ thuật viên sẽ căn cứ mã lỗi trên màn hình LCD bằng tiếng việt. Có thể đánh giá vào mã lỗi được hiển thị để sửa chữa dễ dàng. máy chẩn đoán đã làm việc tốt đạt yêu cầu. 6. Kết luận: 5.6.4. Chẩn đoá n lôĩ cảm biến MAF: Đề tài đã giới thiệu một cách khái quát hệ thống mạng CAN và các chuẩn giao tiếp OBD – 2 trên xe ô tô, qua đó người thực hiện đã khảo sát thực tế mạng CAN trên xe ô tô và lập trình theo các tiêu chuẩn của ISO và nhà sản xuất. Bên cạnh đó đề tài còn giới thiệu tổng quan về PIDs và cách giải mã , các ứng dụng Microchip PIC vào trong việc hiển thị thông tin trên LCD, các mạch giao tiếp và các mạch xử lý dữ liệu, trên cơ sở đó lựa chọn các linh kiện điện tử thông dụng trên thị trường Việt Nam để thiết kế mạch máy chẩn đoán. Đồng thời đề tài đã xây dựng được sơ đồ mạch máy kết hợp với bố trí linh kiện, lưu đồ thuật toán điều khiển, lập trình phần mềm nạp vào Micro chip PIC24HJ64GP506A và chế tạo thành công máy chẩn đoán ô tô thông qua mạng CAN. Sau khi chế tạo đã tiến hành thử nghiệm nhiều lần trên xe ô tô Honda Civic và so sánh với máy chẩn đoán Inova 3133. Tuy nhiên do hạn chế về thời gian nên người nghiên cứu chỉ viết chương trình chẩn đoán và xuất mã lỗi cho phần động cơ. Chế tạo thành công máy chẩn đoán ô tô thông qua ạm ng CAN có thể đưa vào sử dụng chẩn đoán mã lỗi trên xe phục vụ công tác sửa chữa đồng thời có thể giảng dạy tại các trường đại học và cao đẳng. Hình 5.8: Màn hình hiển thị lỗi cảm biến MAF trên xe Honda civic TÀI LIỆU THAM KHẢO Khi có một cảm biến trên động cơ bị sự cố (trong trường [1] PGS.TS Đỗ Văn Dũng (2013), Điện Động Cơ và Điều hợp này giắc cảm biến áp suất đường ống nạp mở). Ta Khiển Động Cơ Nhà xuất bản Đại học quốc gia TP. HCM , quan sát đèn báo lỗi trên táp – lô xe sẽ sáng khi kết nối máy 407 Trang
10. [2] PGS.TS Đỗ Văn Dũng (2004), Trang Bị Điện và Điện [9] www.ti.com/lit/an/sloa101a/sloa101a.pdf Tử Trên Ô tô Hiện Đại, Nhà xuất bản Đại học quốc gia TP. [10] HCM [3] PGS.TS Đỗ Văn Dũng - Từ Điển Anh Văn Chuyên [11]DatasheetPIC24HJ64GP506A từwebsite Ngành Công Nghệ Ô tô. www.microchip.com [4] Nguyễn Đình Phú (2006) Giáo Trình Vi Xử Lý- Đại [12] Học Sư Phạm Kỹ Thuật [13] [5] Tom Denton, BA, Automobile Electrical and Electronic System, AMSAE, Mitre ,Certed, Associate Lecturer, OP University, Third edition2004 [6]CAN specificationversion2.0. RobertBosch GmbH, Stuttgart, Germany, 1991 Xác nhận Bài bát đạt yêu cầu khoa học PGS. TS. Đỗ Văn Dũng [7]Monika Mack, Thilo Schumann, Holger Zeltwanger, Reiner Zitzmann - CAN Dictionary . [8] 6bz12
11. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.