Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu và chế tạo mô hình hệ thống CAN trên ô tô

Khám phá đồ án tốt nghiệp nghiên cứu, chế tạo mô hình mô phỏng hệ thống CAN trên ô tô. Nội dung chi tiết về cấu trúc, truyền dữ liệu và xử lý CAN Bus.

• Tác giả: Võ Trường Minh
• Người hướng dẫn: ThS. Võ Xuân Thành
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô
• Đề tài: Nghiên cứu và chế tạo mô hình mô phỏng hệ thống CAN trên ô tô
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống CAN trên Ô tô

Hệ thống CAN (Controller Area Network) là một công nghệ truyền thông quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô hiện đại. Đây là mạng nội bộ cho phép các điều khiển tự động trên xe giao tiếp với nhau một cách hiệu quả và đáng tin cậy. Sự phát triển của hệ thống mạng CAN đã góp phần tăng cường an toàn, thoải mái và giảm lượng khí thải cho các phương tiện. Trong đồ án nghiên cứu hệ thống CAN, các kỹ sư đã chứng minh rằng công nghệ này không chỉ cải thiện hiệu suất động cơ mà còn hỗ trợ hệ thống lái tự động tiên tiến. Việc ứng dụng mô phỏng hệ thống CAN giúp các nhà sản xuất xe thử nghiệm và phát triển các tính năng mới trước khi triển khai thực tế, tiết kiệm chi phí và thời gian phát triển sản phẩm.

1.1. Định nghĩa và chức năng CAN Bus

CAN Bus là một mạng truyền thông ngang hàng cho phép các điều khiển tự động trên xe trao đổi dữ liệu mà không cần máy tính trung tâm. Hệ thống này hoạt động dựa trên chuẩn ISO 11898, đảm bảo tính tương thích giữa các thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau. Mỗi tín hiệu thông tin được truyền qua mạng CAN với tốc độ cao, cho phép các hệ thống như điều khiển động cơ, hộp số tự động và phanh ABS hoạt động nhịp nhàng.

1.2. Vai trò của mô phỏng trong phát triển công nghệ

Mô hình mô phỏng hệ thống CAN là công cụ quan trọng giúp các kỹ sư hiểu rõ cách hoạt động của hệ thống mạng CAN trên ô tô. Thông qua mô phỏng, các nhà phát triển có thể kiểm tra các kịch bản khác nhau, phát hiện lỗi tiềm ẩn và tối ưu hóa giao tiếp dữ liệu trước khi triển khai thực tế. Điều này đặc biệt quan trọng trong việc nâng cao an toàn giao thông và bảo vệ môi trường.

II. Cấu trúc và Cơ chế Truyền Dữ liệu CAN

Cấu trúc dữ liệu CAN bao gồm nhiều thành phần quan trọng như khung dữ liệu, khung yêu cầu dữ liệu và các cơ chế điều khiển lỗi. Trong hệ thống CAN trên ô tô, mỗi tín hiệu thông tin được đóng gói theo định dạng chuẩn để đảm bảo tính nhất quán. Cơ chế truyền dữ liệu của CAN Bus sử dụng phương pháp mã hóa không trở về 0 (NRZ) và nhồi bit (Bit Stuffing) để tối ưu hóa tốc độ truyền. Quá trình sự phân xử tin nhắn (Arbitration) đảm bảo rằng các điều khiển tự động với mức ưu tiên cao luôn được xử lý trước. Hiểu rõ về cấu trúc tin nhắn giúp các kỹ sư trong đồ án nghiên cứu phát triển mô phỏng hệ thống CAN chính xác hơn.

2.1. Khung dữ liệu và định dạng thông điệp

Khung dữ liệu CAN bao gồm trường ID, dữ liệu hữu ích và các bit kiểm soát lỗi. Mỗi thông điệp CAN được định danh bằng một định danh độc nhất, cho phép các điều khiển tự động nhận biết và xử lý thông tin phù hợp. Cấu trúc khung dữ liệu tuân theo chuẩn ISO 11898, đảm bảo khả năng tương thích toàn cầu trong hệ thống mạng CAN trên ô tô.

2.2. Cơ chế đồng bộ và tái đồng bộ

Truyền thông đồng bộ trong CAN Bus yêu cầu các nút phải được đồng bộ hóa với nhau để đảm bảo nhận dữ liệu chính xác. Cơ chế tái đồng bộ giúp sửa chữa sự lệch pha giữa các nút, ngăn chặn mất dữ liệu và đảm bảo truyền thông tin tin cậy. Điều này đặc biệt quan trọng trong mô phỏng hệ thống CAN để kiểm tra độ ổn định của hệ thống truyền thông.

III. Đặc tính Kỹ thuật của CAN Bus và Ứng dụng trên Ô tô

CAN Bus được thiết kế với các đặc tính kỹ thuật vượt trội để đáp ứng yêu cầu khắt khe của ngành ô tô. Tốc độ truyền dữ liệu của hệ thống CAN có thể đạt tới 1 Mbps, cho phép xử lý hàng ngàn thông điệp mỗi giây. Chiều dài CAN Bus thường dao động từ vài mét đến hàng chục mét tùy thuộc vào cấu hình xe. Cơ chế giao tiếp của hệ thống mạng CAN hỗ trợ nguyên tắc đa truy cập, cho phép nhiều điều khiển tự động hoạt động đồng thời mà không xung đột. Trong đồ án nghiên cứu hệ thống CAN, các kỹ sư đã phân tích chi tiết cách CAN Bus quản lý tín hiệu thông tin từ các hệ thống như điều khiển động cơ, hộp số, phanh ABS và lái trợ lực.

3.1. Tín hiệu điện và nhiễu điện từ trên CAN Bus

CAN Bus sử dụng tín hiệu điện với các mức căn cứ trên chuẩn ISO 11898-2 để truyền dữ liệu. Nhiễu điện từ (EMI) có thể ảnh hưởng đến chất lượng thông điệp CAN, do đó cấu hình CAN Bus phải được thiết kế cẩn thận với dây chắn và các biện pháp bảo vệ khác. Mô phỏng hệ thống CAN giúp phát hiện và khắc phục các vấn đề liên quan đến tín hiệu truyền thông trước khi triển khai.

3.2. Ứng dụng thực tế trong các hệ thống ô tô

Trên ô tô hiện đại, hệ thống CAN Bus được sử dụng để kết nối điều khiển động cơ, hộp sô tự động, phanh ABS, lái tự động và nhiều hệ thống khác. Giao tiếp dữ liệu qua CAN Bus cho phép các hệ thống này chia sẻ thông tin và phối hợp hoạt động một cách hiệu quả. Mô phỏng hệ thống CAN giúp các nhà sản xuất đảm bảo tất cả các hệ thống trên ô tô hoạt động nhịp nhàng và an toàn.

IV. Ý nghĩa Khoa học và Hướng phát triển của Mô phỏng CAN

Mô hình mô phỏng hệ thống CAN có ý nghĩa khoa học sâu sắc trong lĩnh vực công nghệ ô tô. Việc nghiên cứu và chế tạo mô hình mô phỏng giúp các kỹ sư hiểu rõ hơn về cơ chế giao tiếp trong hệ thống mạng CAN trên ô tô. Những phát hiện từ đồ án nghiên cứu này có thể áp dụng để tối ưu hóa hiệu suất, giảm tiêu thụ nhiên liệu và lượng khí thải. Mô phỏng hệ thống CAN cũng hỗ trợ phát triển các điều khiển tự động tiên tiến như lái tự động và hỗ trợ tài xế. Trong tương lai, hệ thống mạng CAN sẽ được nâng cấp với công nghệ 5G và kết nối xe-xe, yêu cầu các mô hình mô phỏng ngày càng phức tạp và chính xác hơn.

4.1. Lợi ích của mô phỏng trong phát triển sản phẩm

Mô phỏng hệ thống CAN cho phép các kỹ sư kiểm tra các tính năng mới mà không cần sản xuất nguyên mẫu thực tế, tiết kiệm chi phí và thời gian. Mô hình mô phỏng có thể mô tả các tình huống khác nhau, từ hoạt động bình thường đến các tình huống khẩn cấp. Nghiên cứu hệ thống CAN thông qua mô phỏng giúp nâng cao chất lượng và độ an toàn của các phương tiện.

4.2. Xu hướng phát triển công nghệ truyền thông trên ô tô

Hệ thống mạng CAN vẫn là nền tảng chính cho giao tiếp dữ liệu trên ô tô, nhưng các công nghệ mới như CAN FD (Flexible Data Rate) và Ethernet đang được tích hợp. Mô phỏng hệ thống CAN hiện tại cung cấp kiến thức nền tảng cho việc phát triển các hệ thống truyền thông tiên tiến hơn. Đồ án nghiên cứu này đóng vai trò quan trọng trong việc chuẩn bị cho tương lai của công nghệ ô tô.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT Ô TÔ NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CAN TRÊN Ô TÔ GVHD : ThS. VÕ XUÂN THÀNH SVTH : VÕ TRƯỜNG MINH NGUYỄN ĐẠI PHÚC SKL007926 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2018 LỜI CẢM ƠN Nhóm thực hiện đề tài xin chân thành cảm ơn các quý thầy từ bộ m n Điện Tử Ôtô, cũng nhƣ các thầy c trong khoa Cơ Kh Động Lực,trƣờng Đại học Sƣ phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, những ngƣời đã dìu dắt nhóm thực hiện đề tai trong suốt thời gian học tập. Nhờ các quý thầy cô tận tình chỉ dạy và giúp đỡ từ những kiến thức chuyên m n trong nhà trƣờng đến thực tiễn trong cuộc sống đã giúp nhóm thực hiện đề tài tiếp cận gần hơn và hiểu biết rõ hơn về ngành nghề mà mình đã chọn.

Từ những nền tảng kiến thức và hiểu biết vững chắc đó đã giúp nhóm thực hiện đề tài hoàn thành tập đồ án này và là hành trang để bƣớc vào đời. Hơn hết nhóm gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thạc sĩ Giảng viên VÕ XUÂN THÀNH giáo viên hƣớng dẫn đề tài, ngƣời thầy đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo kịp thời, tạo điều kiện, động viên và giúp đỡ nhóm thực hiện đề tài rất nhiều về mặt tinh thần cũng nhƣ kiến thức để nhóm thực hiện đề tài vƣợt qua những ngày tháng khó khăn trong quá trình thực hiện đồ án này. Bên cạnh đó nhóm thực hiện đề tài cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã hết lòng ủng hộ, giúp đỡ và góp ý cho nhóm em trong suốt quà trình thực hiện. Mặc dù đã rất cố gắng và nỗ lực nhiều, nhƣng do kiến thức ít ỏi cũng nhƣ thời gian nghiên cứu là có hạn nên những thành quả đạt đƣợc không tránh khỏi những thiếu sót.

Do đó nhóm thực hiện đề tài kính mong nhận đƣợc những sự đóng góp, chỉ dạy của quý thầy c để nhóm thực hiện đề tài hoàn thiện đồ án đƣợc tốt hơn. Nhóm thực hiện đề tài xin chân thành cảm ơn! Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng. năm 2018 Nhóm sinh viên thực hiện VÕ TRƢỜNG MINH NGUYỄN ĐẠI PHÚC vii TÓM TẮT Ngày nay việc điều khiển tự động các hệ thống trên xe đang là vấn đề đƣợc các nhà sản xuất xe quan tâm.

Nhằm giải quyết vấn đề trên, các hãng xe đã thử nghiệm và chế tạo ra các hệ thống mạng để giao tiếp trên xe. Những chiếc xe đầu tiên đƣợc vào thử nghiệm hệ thống mạng chỉ giao tiếp đƣợc một vài hệ thống điều khiển ch nh trên xe nhƣ hệ thống điều khiển động cơ, hệ thống điều khiển hộp sô tự động. Tuy nhiên sự phát triển của các linh kiện điện tử theo thời gian đã góp phần giúp phát triển hệ thống mạng trên xe, chúng dần dần đƣợc cải tiến hoàn thiện hơn với nhiều hệ thống có thể giao tiếp hỗ trợ nhau hơn, một phát minh không thể không nhắc đến trong quá trình phát hiện hệ thống lái tự động. Với ƣu điểm của hệ thống mạng, các tín hiệu th ng tin đƣợc giao tiếp giữa các hệ thống trong xe giúp chiếc xe đem lại cảm giác thoải mái hơn, an toàn hơn cho ngƣời lái.

Ngoài ra nó cũng giúp đáp ứng các yêu cầu khắc khe của nhà chức trách về vấn đề bảo vệ m i trƣờng. Các hệ thống điều khiển có thể điều chỉnh lƣợng khí thải ít ảnh hƣởng đến m i trƣờng nhất. Nắm đƣợc xu thể phát triển của nền công nghiệp ô tô, nhóm chúng em quyết định chọn đề tài "Nghiên cứu và chế tạo mô hình mô phỏng hệ thống CAN trên ô tô" để thực hiện trong đồ án tốt nghiệp. viii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN.

vi MỤC LỤC. vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT. xiv DANH MỤC CÁC HÌNH. xv DANH MỤC CÁC BẢNG.

xxi Chƣơng 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI. TÍCH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI.

PHƢƠNG PHÁP VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU. Phƣơng pháp giải quyết vấn đề. Phạm vi nghiên cứu. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI.

TẠI SAO PHẢI SỬ DỤNG MẠNG CAN. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG MẠNG CAN. Định nghĩa truyền thông. Định nghĩa CAN.

CAN hoạt động nhƣ thế nào. Tiêu chuẩn ISO 11898 đối với CAN. 9 CHƢƠNG 2: CẤU TRÚC TIN NHẮN TRONG CAN. SỰ PHÂN XỬ TIN NHẮN (ARBITRATION).

CÁC KHUNG DỮ LIỆU. Khung dữ liệu (Data frame). Khung yêu cầu dữ liệu (Remote). Khung quá tải (Overload).

Khoảng phân cách giữa các khung (Interframe Space). 21 ix CHƢƠNG 3: TRUYỀN DỮ LIỆU CỦA CAN TRÊN Ô TÔ – BIT TIME. TRUYỀN DỮ LIỆU CỦA CAN. TRUYỀN THÔNG ĐỒNG BỘ.

TRUYỀN THÔNG KHÔNG ĐỒNG BỘ. SỰ TÁI ĐỒNG BỘ. Các phân đoạn thời gian của CAN Bus. Sự truyền tín hiệu trong CAN Bus.

Tỉ số tốc độ và chiều dài Bus (Data – Rate/ Bus Length).Chiều dài của CAN Bus. Phƣơng pháp mã hóa kh ng trở về 0 (Non – Return – to – Zero). Quy luật nhồi bit (Bit Stuffing). Tỉ lệ bit dữ liệu và bit nhồi.

Sự ƣớc lƣợng số bit nhồi. 33 CHƢƠNG 4: CAN BUS VÀ HỆ THỐNG XỬ LÝ. SƠ LƢỢC VỀ CAN BUS. Độ dài của một Bus.

Tín hiệu trên CAN Bus. Đƣờng truyền công suất trong CAN Bus. Sự truyền tần số cao (tần số vô tuyền) trong CAN Bus. Sự truyền hồng ngoại trong CAN Bus (Infrared Transmission).

Các mức tín hiệu trong CAN Bus (ISO 11898-2). Sự nhiễm điện từ của CAN Bus (Electromagnetic Interference). Cấu hình Can Bus. CƠ CHẾ GIAO TIẾP VÀ ĐẶC TÍNH CỦA BUS.

Cơ chế giao tiếp. Sự truyền thông giữa các trạm trên Bus. CAN Bus gửi yêu cầu từ xa (CAN Bus Remote Request). Nguyên tắc đa truy cập trong CAN Bus (Multimaster Principle).

Phƣơng pháp phân xử trong CAN Bus (Arbitration Method). Hỗ trợ giao tiếp trong CAN. Đặc tính của CAN Bus. BỘ ĐIỀU KHIỂN CAN (CAN Controller).

Bộ điều khiển CAN độc lập. Bộ điều khiển CAN tích hợp (Integrated CAN Controller). HỆ THỐNG XỬ LÝ (IMPLEMENTATION). Module CAN mới (Full CAN).

Bộ thu phát (Transceiver). QUY TRÌNH TRUYỀN DỮ LIỆU. Truyền tải dữ liệu. Nhận dữ liệu.

ĐẶC ĐIỂM CAN BUS. 54 CHƢƠNG 5: XỬ LÝ LỖI CỦA HỆ THỐNG CAN. Phát hiện lỗi ảnh hƣởng đến hệ thống từ một nút. Chèn bit và xóa chèn (Bit-Stuffing and De-Stuffing).

Sự thiếu hụt khoảng Hamming (Shortfall Hamming Distance). Các trạng thái lỗi trong nút CAN. Hoãn truyền dữ liệu (Suspend Passive Transmission). Sự nhân đ i tin nhắn.

Phân t ch đánh giá việc phát hiện lỗi (Error–Detection Analysis). PHÁT HIỆN LỖI VÀ BÁO LỖI. Các kiểu lỗi cơ bản. Cơ sở lý thuyết của việc phát hiện lỗi.

HẠN CHẾ LỖI (FAULT CONFINEMENT). Khung lỗi chủ động và khung lỗi bị động. Khung lỗi chủ động (Active Error Frame). Khung lỗi bị động (Passive Error Frame).

Các bộ đếm lỗi. Bộ đếm lỗi truyền (Transmit Error Counter_TEC). Bộ đếm lỗi nhận (Receive Error Counter_REC). Các quy luật hạn chế lỗi.

68 CHƢƠNG 6: ỨNG DỤNG CAN TRÊN XE VÀ TƢƠNG LAI CỦA CAN. YÊU CẦU GIAO TIẾP GIỮA CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRÊN XE. ỨNG DỤNG CỦA CAN TRÊN XE Ô TÔ. CAN Bus truyền tín hiệu tốc độ xe.

CAN Bus truyền tín hiệu tốc độ động cơ. CAN Bus truyền tín hiệu báo hiệu. CAN Bus truyền tín hiệu gạt nƣớc. CAN Bus truyền tín hiệu kiểm soát tải.

ỨNG DỤNG KHÁC CỦA CAN BUS. HỆ THỐNG CAN BUS TRONG TƢƠNG LAI. 78 CHƢƠNG 7: CHẨN ĐOÁN VÀ SỬA CHỮA CAN. KIỂM TRA VÀ CHẨN ĐOÁN CAN.

Kiểm tra đƣờng dây CAN. Kiểm tra tín hiệu và tin nhắn. Phân tích và kiểm tra các dạng sóng. Kiểm tra quá trình chẩn đoán lỗi trên CAN.

Kiểm tra sự mất kết nối đƣờng dây ch nh và điện trở. Kiểm tra mất kết nối đƣờng dây chính và chẩn đoán CAN. Kiểm tra ngắn mạch, mất kết nối đƣờng dây phụ và chẩn đoán CAN. SỬA CHỮA HỆ THỐNG CAN.

GIỚI THIỆU MÁY CHẨN ĐOÁN CAN TESTER 2. Khả năng tìm lỗi nhanh. Code điều khiển hiển thị Combination Metter (ECU 3). Thử nghiệm và đánh giá m hình m phỏng hệ thống CAN trên ô tô.

Hệ thống hiển thị thông tin (ECU 3). Đánh giá m hình m phỏng hệ thống CAN. 125 CHƢƠNG 9: KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƢỚNG PHÁT TRIỂN. ĐỊNH HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI.

126 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 127 xiii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Chữ viết tắt Giải thích CAN Controller Area Network ECU Electronic Control Unit ESP Electronic Stability Program ABS Anti-lock Braking System EPS Electric Power Steering BCM Body Control Module ECM Engine Control Module TCM Transmission Control Module IDE Identifier Extension DLC Data Length Code CCS Cruise Control System xiv DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Xe sử dụng mạng giao tiếp .2: Xe theo kiểu truyền thống.3: Hệ thống liên kết dạng sao.4: Hệ thống liên kết dạng bus .5: Hệ thống liên kết dạng vòng .6: Hệ thống liên kết dạng lƣới .7: So sánh trạng thái trội và lặn .8: Phƣơng pháp nhồi bit .9: Mức điện áp hệ thống CAN .1: Sự chuyển đổi logic của CAN .2: Sự ƣu tiên truyền dữ liệu của hệ thống thứ 2.3: Bộ thu phát CAN .4: Sự phân xử giữa các trạm trên Bus .5: Cơ chế phân xử trên ô tô .6: Khung dữ liệu tiêu chuẩn .7: Vùng phân xử khung tiêu chuẩn và khung mở rộng.8 Số byte dữ liệu mã hóa thành chiều dài dữ liệu (DCL) .9: Cấu trúc vùng điều khiển .10: Vùng dữ liệu .11 Vùng điều khiển vòng lặp thừa .13: Vùng kết thúc .14: Khung yêu cầu dữ liệu .16: Cấu trúc khung lỗi chủ động .17: Cờ lỗi chủ động.18: Cấu trúc khung lỗi bị động .19: Cờ lỗi bị động .20: Khung quá tải .21: Hai khung quá tải trong một nút .22: Cấu trúc khoảng phân cách .23: Cấu trúc khoảng phân cách (lỗi bị động) .1: Truyền dữ liệu kiểu nhị phân .2: Truyền th ng đồng bộ .3: Truyền th ng kh ng đồng bộ .7: Phân đoạn thời gian của một bit .8: Truyền tín hiệu trong CAN BUS .9: Tỉ số giữa tốc độ và chiều dài Bus .10: Phƣơng pháp mã hóa NRZ .11: Phƣơng pháp nhồi bit .12: Tỉ lệ bit sử dụng và bit nhồi .1 Sơ đồ mạng CAN trên ô tô .2 Một nút CAN theo tiêu chuẩn ISO 11898-2 .