Đồ án tốt nghiệp: Mô phỏng hệ thống hiển thị thông tin ô tô sử dụng mạng CAN

Khám phá đồ án tốt nghiệp chi tiết về mạng CAN trên ô tô. Nghiên cứu, thiết kế mô hình mô phỏng hệ thống hiển thị thông tin ứng dụng Arduino và Raspberry Pi.

• Tác giả: Nguyễn Thị Như Thùy
• Người hướng dẫn: Lê Thanh Phúc
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ khí Động lực
• Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế mô hình mô phỏng hệ thống hiển thị thông tin sử dụng mạng CAN trên ô tô
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Mạng CAN trong Hệ thống Ô tô Hiện đại

Mạng CAN (Controller Area Network) là một giao thức giao tiếp tiêu chuẩn được phát triển để kết nối các bộ điều khiển điện tử (ECU) trên ô tô hiện đại. Một chiếc xe hiện nay có thể sở hữu tới 70 ECU khác nhau, mỗi cái điều khiển các hệ thống độc lập như động cơ, hộp số, túi khí, chống bó cứng phanh ABS, kiểm soát hành trình và nhiều hệ thống khác. Sự phát triển mạnh mẽ của mạng giao tiếp CAN cho phép các hệ thống này trao đổi thông tin liên lạc với nhau một cách hiệu quả. Ưu điểm chính của CAN là khả năng kết nối giữa các hệ thống xe, tạo điều kiện thực hiện nhiều tính năng an toàn, tiết kiệm năng lượng và tiện lợi cho người sử dụng.

1.1. Lịch sử phát triển mạng CAN

Mạng CAN được tạo ra vào những năm 1980 bởi công ty Bosch để đáp ứng nhu cầu trao đổi dữ liệu giữa các hệ thống điều khiển trên ô tô. Tiêu chuẩn CAN đã trở thành một công nghệ quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô toàn cầu, được áp dụng rộng rãi từ các xe thương mại đến xe hạng sang.

1.2. Đặc điểm nổi bật của CAN

Những đặc điểm chính của mạng CAN bao gồm: khả năng truyền dữ liệu nhanh chóng và đáng tin cậy, cơ chế xử lý lỗi hiệu quả, độ trễ thấp, tiêu thụ năng lượng tối ưu và khả năng mở rộng cao. Điều này làm cho CAN trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng ô tô.

II. Hệ thống Hiển thị Thông tin trên Ô tô Sử dụng CAN

Hệ thống hiển thị thông tin ô tô là một ứng dụng quan trọng của mạng CAN, cho phép hiển thị các dữ liệu từ các bộ cảm biến và ECU khác nhau lên màn hình LCD hoặc bảng điều khiển. Đồ án này tập trung vào mô phỏng hệ thống hiển thị thông tin thông qua giao tiếp giữa Arduino Uno và Raspberry Pi 3 qua bộ chuyển đổi MCP2515. Việc sử dụng các nền tảng phần cứng này cho phép mô phỏng các tính năng của mạng CAN một cách hiệu quả, từ đó giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của các hệ thống giao tiếp trên xe.

2.1. Cấu trúc phần cứng mô phỏng

Mô hình thực nghiệm bao gồm các thành phần chính: Arduino Uno đóng vai trò điểm cuối gửi dữ liệu, MCP2515 là bộ điều khiển CAN để chuyển đổi tín hiệu, Raspberry Pi 3 xử lý dữ liệu nhận được, và màn hình LCD hiển thị thông tin. Sự kết hợp này tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh để mô phỏng truyền nhận dữ liệu trên mạng CAN.

2.2. Quy trình truyền dữ liệu CAN

Dữ liệu được gửi từ Arduino Uno thông qua giao tiếp SPI (Serial Peripheral Interface) đến MCP2515, sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu CAN và truyền đi. Raspberry Pi 3 nhận tín hiệu này, xử lý dữ liệu và hiển thị trên màn hình LCD, tạo ra một hệ thống giao tiếp đầy đủ.

III. Phần Cứng và Phần Mềm Sử dụng trong Đồ án

Đồ án mô phỏng hệ thống hiển thị ô tô sử dụng một tập hợp các công cụ phần mềm và phần cứng hiện đại. Phần mềm chính bao gồm ngôn ngữ Python để thiết kế giao diện đồ họa, Sublime Text làm môi trường lập trình, và Arduino IDE để lập trình cho bo mạch Arduino. Về phần cứng, ngoài Arduino Uno, Raspberry Pi 3 và MCP2515 đã nêu, còn có màn hình LCD để hiển thị dữ liệu và mạch chuyển đổi HDMI sang LCD để tương thích với các thiết bị. Sự kết hợp này tạo nên một nền tảng hoàn chỉnh và hiệu quả cho việc mô phỏng.

3.1. Công cụ phần mềm chính

Python được sử dụng để thiết kế giao diện táp lô trên màn hình, với các thư viện hỗ trợ đồ họa và xử lý dữ liệu. Arduino IDE cung cấp môi trường lập trình thuận tiện cho Arduino Uno, cho phép cấu hình giao tiếp SPI, ADC, và Bit Timing.

3.2. Thành phần phần cứng chính

MCP2515 là bộ điều khiển CAN chính, thực hiện chuyển đổi tín hiệu giữa SPI và CAN bus. Màn hình LCD hiển thị các thông tin được xử lý, trong khi Arduino Uno và Raspberry Pi 3 đóng vai trò xử lý và quản lý dữ liệu trên hệ thống.

IV. Kết quả Đạt được và Ứng dụng Thực tiễn

Đồ án mô phỏng hệ thống hiển thị thông tin ô tô sử dụng mạng CAN đã thành công trong việc xây dựng một mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh. Mô hình này không chỉ chứng minh khả năng giao tiếp của mạng CAN mà còn cung cấp một nền tảng học tập quý báu cho sinh viên về các hệ thống điều khiển điện tử trên ô tô. Kết quả đạt được cho thấy đọc giá trị biến trở và ghi vào data byte hoạt động chính xác, dữ liệu được truyền tải đáng tin cậy qua mạng CAN, và hiển thị chính xác trên màn hình LCD. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu này mở ra hướng phát triển mới cho các hệ thống hiển thị thông tin trên ô tô hiện đại.

4.1. Thành tựu chính của đồ án

Mô hình thực nghiệm đã thành công thiết lập giao tiếp CAN giữa các thiết bị, hiển thị dữ liệu từ cảm biến trên màn hình LCD một cách ổn định và chính xác. Việc tích hợp Python, Arduino, và Raspberry Pi tạo ra một giải pháp hoàn toàn mới cho mô phỏng hệ thống ô tô.

4.2. Hạn chế và hướng phát triển tương lai

Mặc dù đạt được nhiều kết quả, đồ án vẫn có những hạn chế trong việc mô phỏng các tính năng phức tạp của hệ thống thực. Hướng phát triển tương lai bao gồm tích hợp thêm nhiều cảm biến, nâng cao độ chính xác của dữ liệu, và ứng dụng vào các hệ thống ô tô thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan. - Chương 2: Cơ sở lý thuyết. - Chương 3: Sơ lược về phần cứng và phần mềm. - Chương 4: Thực nghiệm mô hình hệ thống hiển thị thông tin trên ô tô.

- Chương 5: Kết luận và kiến nghị. Tổng quan về mạng giao tiếp trên ô tô: 2. Mạng giao tiếp ô tô: Mạng giao tiếp trên ô tô nói riêng hay mạng giao tiếp trên các phương tiện giao thông nói chung (Vehicle Bus) là một hệ thống các hộp điều khiển trên cùng một xe bao gồm các loại như ECM, TCM, BCM, ABS… Khi hoạt động, chúng có thể giao tiếp trao đổi thông tin qua lại với nhau mà không cần phải tăng thêm số lượng dây dẫn. Nhằm tối ưu cho việc điều khiển và hạn chế dây dẫn, ngày nay tất cả các phương tiện từ ô tô con, xe tải, đầu kéo, máy công trình, máy bay, xe quân sự, thậm chí cả xe máy cũng đều sử dụng mạng giao tiếp.

Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của công nghệ ô tô, một chiếc xe châu Âu bình thường trung bình có khoảng 30 hộp điều khiển khác nhau chưa kể đến một chiếc xe sang thì con số hộp điều khiển có thể lên đến hàng trăm hộp. Ngay cả trên hệ thống điều khiển ghế ngồi, điều khiển mở cốp, điều khiển âm thanh đều có một hộp điều khiển riêng. Tất cả các hộp này được kết nối với nhau để lấy tín hiệu của nhau. Ví dụ: Hộp điều khiển hộp số TCM sẽ lấy tín hiệu tốc độ động cơ, tín hiệu bàn đạp ga để điều khiển sang số; tín hiệu tốc độ xe hiển thị trên đồng hồ táp lô lấy từ hộp điều khiển hộp số hoặc lấy từ hộp ABS cho thấy chúng có mối mối quan hệ với nhau.

Với sự ra đời của các hệ thống điều khiển điện tử đã làm giảm số lượng dây điện trên ô tô xuống mức tối đa, làm giảm chi phí sản xuất, tối ưu hóa không gian cho xe, tăng độ chính xác cho những khâu xử lý và đặc biệt rất ít lỗi trên hệ thống so với khi không sử dụng hệ thống điều khiển điện tử. Khi nhu cầu về an toàn, tiện lợi và độ chính xác cao, đòi hỏi phải có một sự liên kết giữa tất cả các hộp điều khiển lại với nhau để có thể trao đổi thông tin giữa các hộp điều khiển một cách nhanh chóng, kịp thời và chính xác. Và mạng giao tiếp ô tô ngày nay là giải pháp tối ưu để giải quyết các vấn đề trên. Các loại giao thức giao tiếp trên ô tô: Các loại giao thức phổ biến trên ô tô hiện nay: - CAN (Controller Area Network) - Ethernet (K-line) - Flexray 4 - LIN (Local Interconnect Network) - Media Oriented Systems Transport (MOST) Ngoài ra, còn có các loại giao thức khác như là J1979, J1850, ISO 9141,…Tuy nhiên, trong tương lai các xe tự hành hoàn toàn thì khối lượng dữ liệu và tốc độ truyền dẫn phải rất lớn.

Để duy trì an toàn cho người lái, tốc độ các mạng như CAN và FlexRay đang áp dụng nhiều nhất hiện nay cũng không thể đáp ứng được. Do đó, mạng giao tiếp có thể được sử dụng phải kể đến Ethernet TSN (Time-Sensitive Networking), Ethernet AVB (Audio Video Bridging). Yêu cầu về mạng giao tiếp: 2. Tốc độ truyền dữ liệu: Là đơn vị cho biết khối lượng thông tin được truyền trong một đơn vị thời gian.

Đơn vị truyền dữ liệu nhỏ nhất sẽ là bit và tốc độ truyền dữ liệu thường được chỉ định là bit/giây. Ngoài tên gọi “data transfer rate” thì còn có một số các tên gọi khác cùng biểu thị ý nghĩa tương tự như: transfer rate, data rate, bit rate hay baud rate. Tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể mà ta sẽ có các yêu cầu khác nhau về tốc độ truyền. Tốc độ càng nhanh thì vấn đề về độ tin cậy, hạn chế lỗi càng gây ra nhiều áp lực cho quá trình phát triển đồng thời giá thành sẽ cao.

Tốc độ càng chậm thì tồn tại vấn đề về mật độ băng thông và độ trễ truyền tin. Ngoài ra, tốc độ truyền dữ liệu còn phụ thuộc vào chiều dài đường truyền. Các loại giao thức truyền thông hay sử dụng trên ô tô. CAN-C CAN-B Giao Thức High-speed Low-speed LIN MOST FlexRay CAN CAN Controller Local Local Propnetary Controller Area Định nghĩa Area Interconnect Interconnect Name Network Network Network Network Bus thông Bus thông Bus thông Bus thông Bus quang thường và Loại Bus thường thường thường học bus quang học Thoải Đa phương Phạm vi Truyền lực và Thoải mái Tất cả các mái/tiện tiện và ứng dụng hộp số /tiện nghi phạm vi nghi infortainment 5 Chi phí thấp mở rộng của Hệ thống sử Điều khiển Hệ thống Điều khiển CAN bus cho dụng cho động cơ, hệ mạng điện truyền các ứng dụng các ứng Các ứng thống mạng tử thân xe lực,hộp số, đơn giản dụng liên dụng điều khiển và thoải thông tin trong phạm quan tính an truyền lực và mái và tiện audio và vi điện tử toàn và đơn ABS/ESP nghi video thoải mái và giản tiện nghi Cấu trúc Cấu trúc Cấu trúc Tuyến bus Tuyến bus Tuyến bus không gian không gian liên kết vòng hình sao Tiêu biểu Tốc độ 125 kbit/s đến Tối đa 125 Tối đa Tối đa 10Mbit/s truyền dữ 1Mbit/s kbit/s 20kbit/s 22.5Mbit/s Tối đa liệu 20Mbit/s Về mặt lý thiết lên đến Số nút tối 2048.

10 24 16 64 đa Tối đa 22 trên passive bus/sao Dựa theo thời Dựa theo Cơ cấu điều Dựa theo tác Dựa theo Dựa theo gian và tác thời gian và khiển động tác động theo gian động tác động Dòng xe cao Sự triển Tất cả các cấp của các Ứng dụng Tất cả các xe Tất cả các xe khai xe nhà sản xuất thí điểm xe châu Âu Tiêuphân Sự chuẩn ISO 11898 ISO LIN Hợp tác tiện Phương FlexRay Drive by Lớp C Lớp B 11519-2 Lớp A MOST loại SAE di động wire 2. Khả năng chống nhiễu: Yêu cầu này chính là vấn đề về độ nhiễu khi truyền thông tin. Theo một cách lý tưởng nhất thì dữ liệu được truyền đi sẽ hoàn toàn không bị nhiễu hay mất mát, sai sót dữ liệu. Trong thực tế, môi trường làm việc của mạng trên ô tô là vô cùng phức tạp và chịu rất nhiều ảnh hưởng điện từ đến từ động cơ cũng như các hệ thống điện khác nên việc hoàn toàn không bị nhiễu là vấn đề không thể đạt được.

Do đó, việc giảm ảnh hưởng của 6 sự nhiễu đến vấn đề truyền tin xuống mức thấp nhất vẫn là mối quan tâm hàng đầu, mức độ kháng nhiễu của hệ thống còn phụ thuộc vào mức độ an toàn cũng như mục đích mà hệ thống đó hướng đến. Hiện nay có rất nhiều cách thức khác nhau để tạo nên khả năng kháng nhiễu cho hệ thống, có thể từ phần cứng hay tích hợp ngay trong phần mềm hoặc tích hợp vào bên trong cơ chế vận hành của các giao thức truyền tin. Có thể kể ra một số đại diện về phương pháp kháng nhiễu như sau: đôi dây cáp xoắn vào nhau, bit chẵn lẻ, checksum. Khả năng đáp ứng thời gian thực: Đây là một đặc tính có yêu cầu khắt khe hơn về mặt thời gian (thời gian truyền tin và thời gian đáp ứng), trong đó độ sai lệch là cực kì nhỏ.

Yêu cầu về thời gian thực chỉ xuất hiện ở một vài hệ thống đặc biệt và thường còn đi kèm với yêu cầu về độ tin cậy. Thời gian thực tương đối: Hệ thống sẽ tuân theo thời gian phản hồi được yêu cầu, nhưng đôi khi có thể bị vượt quá mà không gây ra bất kì ảnh hưởng nghiêm trọng nào (ví dụ như sự giật ảnh khi truyền hình ảnh, livestream,. Thời gian thực tuyệt đối: Các hệ thống áp đặt mức độ này thường là các hệ thống liên quan đến đặc tính an toàn trên ô tô. Đối với các hệ thống này, chỉ cần một chút sai sót trong quá trình truyền tin cũng như phản hồi thông tin thì kết quả sinh ra sẽ bị ảnh hưởng, gây ra sai sót và kết quả tính toán sẽ không thể sử dụng được.

Từ đó, gây ra các vấn đề nghiêm trọng, đặc biệt là đối với các hệ thống an toàn và có khả năng gây nguy hiểm đến tính mạng người sử dụng. Số node tham gia vào mạng: Việc giới hạn số lượng node tối đa trong một mạng mang lại nhiều ý nghĩa đặc biệt: - Ý nghĩa đầu tiên chính là góp phần giải quyết tình trạng độ trễ truyền tin. Xác suất về sự tranh chấp giữa các tin nhắn truyền cùng một thời điểm sẽ giảm khi tổng số lượng các node tham gia vào mạng giảm. - Ý nghĩa tiếp theo đến từ việc một mạng nội bộ trên xe không thể (hoặc rất khó) sử dụng cùng một dạng giao thức cho toàn bộ mạng được (do các vấn đề về kĩ thuật, giá thành cũng như độ phù hợp đối với mục đích sử dụng).

- Ý nghĩa cuối cùng là tạo điều kiện thuận lợi nhất để các node thể hiện khả năng của mình một cách hiệu quả, dễ quản lý hơn cũng như dễ dàng nghiên cứu phát triển hơn. 7 Thông thường, để đưa ra được số node tối đa cho một giao thức bất kì, người ta thường dựa vào mục đích mà giao thức đó hướng đến nhằm suy ra khoảng độ trễ truyền tin có thể chấp nhận được cùng với tốc độ truyền của giao thức đó. Các ứng dụng trong ô tô: Hiện nay, mạng nội bộ trên ô tô hiện nay được phân chia thành 4 nhóm chính dựa trên chức năng và đặc tính của chúng: - Hệ thống khung gầm - Hệ thống truyền lực - Hệ thống an toàn tiện nghi - Hệ thống đa phương tiện Tùy mỗi hệ thống mà có những vùng ứng dụng riêng. Có 3 ứng dụng cơ bản trên ô tô hiện nay: 2.

Ứng dụng thời gian thực: Xu hướng hiện tại của ngành công nghiệp ô tô chính là dần thay thế các hệ thống cơ khí hay cơ - thủy lực kiểu cũ bằng các hệ thống cơ - điện tử được điều khiển bằng máy tính. Ví dụ như đối với các hệ thống như ABS hay X-by-wire, các yêu cầu của chúng đặt lên các hệ thống điều khiển điện tử là cực cao và gần như không cho phép bất cứ sai sót hay độ trễ nào có thể xảy ra, chính vì lẽ đó mà các giao thức sử dụng cho các hệ thống này phải không ngừng hoàn thiện và cần được thay thế bởi các giao thức mới hơn, hiệu quả hơn. Khi càng có nhiều các hệ thống cơ - thủy lực được thay thế bằng các hệ thống cơ - điện tử thì sẽ có càng nhiều máy tính điều khiển.