Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu và thử nghiệm máy chẩn đoán cơ bản (ĐH SPKT)

Đồ án nghiên cứu và chế tạo máy chẩn đoán ô tô cơ bản. Tìm hiểu giao thức CAN, OBD-II và xây dựng mô hình thiết bị chẩn đoán cầm tay thực tế.

• Tác giả: Nguyễn Tấn Thiện
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Quang Vũ
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ khí Động lực
• Đề tài: Nghiên cứu và thử nghiệm máy chẩn đoán cơ bản
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Lịch Sử Phát Triển Và Khái Niệm OBD II

OBD-II (On-Board Diagnostics - Chẩn đoán trên xe) là một hệ thống quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô hiện đại. Hệ thống này cho phép chẩn đoán các lỗi của động cơ và các thành phần liên quan một cách nhanh chóng và hiệu quả. Sự phát triển của máy chẩn đoán OBD-II đã đánh dấu một bước tiến lớn trong việc bảo dưỡng và sửa chữa ô tô. Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam, mặc dù còn non trẻ so với các nước phát triển, nhưng đang ngày càng chú trọng đến công nghệ chẩn đoán kỹ thuật. Việc nắm bắt được nhu cầu này, các nhà nghiên cứu đã quyết định phát triển một mô hình máy chẩn đoán cơ bản với các chức năng thiết yếu. Mục đích chính là tạo ra một công cụ hiệu quả giúp các kỹ thuật viên và sinh viên ngành cơ khí động lực có thể hiểu rõ hơn về hoạt động của hệ thống chẩn đoán trên ô tô.

1.1. Lịch Sử Phát Triển OBD

OBD được phát triển lần đầu tiên vào những năm 1980 để giúp phát hiện các lỗi liên quan đến hệ thống kiểm soát khí thải. Tiêu chuẩn OBD-II được áp dụng bắt buộc từ năm 1996 tại Hoa Kỳ, sau đó lan rộng ra các nước khác. Sự phát triển này đã giúp cải thiện tính an toàn, hiệu suất và bảo vệ môi trường của ô tô.

1.2. Các Giao Thức Tín Hiệu OBD II Tiêu Chuẩn

Có nhiều giao thức tín hiệu được sử dụng trong OBD-II như PWM, VPW, ISO 9141-2 và CAN Bus. Trong đó, CAN Bus (Controller Area Network) đang trở thành tiêu chuẩn chính trên các ô tô hiện đại do ưu điểm vượt trội trong việc truyền dữ liệu nhanh chóng, đáng tin cậy và có khả năng mở rộng cao.

II. Chức Năng Và Ứng Dụng Của Máy Chẩn Đoán Cơ Bản

Máy chẩn đoán cơ bản là công cụ không thể thiếu trong lĩnh vực bảo dưỡng và sửa chữa ô tô hiện đại. Thiết bị này có khả năng đọc dữ liệu thời gian thực từ các cảm biến trên xe, giúp kỹ thuật viên nhanh chóng xác định vấn đề. Một trong những chức năng quan trọng nhất là đọc và xóa mã lỗi (DTC) được lưu trong bộ điều khiển điện tử của động cơ. Với sự phát triển của công nghệ, máy chẩn đoán cầm tay ngày càng trở nên phổ biến, giúp các garage nhỏ có thể tiếp cận công nghệ cao. Mô hình máy chẩn đoán OBD-II được xây dựng dựa trên nền tảng Arduino cho phép tích hợp dễ dàng các chức năng mới. Ứng dụng này không chỉ giúp sửa chữa nhanh chóng mà còn giảm chi phí bảo dưỡng, nâng cao hiệu suất làm việc của xe.

2.1. Các Chức Năng Chính Của Máy Chẩn Đoán

Máy chẩn đoán cơ bản có ba chức năng chính: đọc dữ liệu động từ các cảm biến (nhiệt độ động cơ, áp suất xăng, tốc độ vòng quay), đọc mã lỗi (DTC) để xác định vấn đề, và xóa lỗi sau khi sửa chữa. Các chức năng này được hiển thị trên màn hình LCD TFT với giao diện thân thiện.

2.2. Ứng Dụng Thực Tiễn Trong Bảo Dưỡng

Trong thực tế, máy chẩn đoán OBD-II được sử dụng rộng rãi để phát hiện lỗi sớm, tránh các hư hỏng lớn. Với khả năng truyền thông qua giao thức CAN, máy có thể kết nối với hầu hết các ô tô sản xuất sau năm 2006, giúp nâng cao hiệu quả bảo dưỡng và độ tin cậy của dịch vụ sửa chữa.

III. Công Nghệ CAN Bus Trong Hệ Thống OBD II

CAN Bus (Controller Area Network) là nền tảng công nghệ quan trọng nhất trong hệ thống OBD-II hiện đại. Đây là một mạng truyền thông cho phép nhiều thiết bị điện tử trên ô tô giao tiếp với nhau một cách hiệu quả. Ưu điểm của CAN Bus là tốc độ truyền dữ liệu cao, khả năng chịu nhiễu tốt và tiêu thụ năng lượng thấp. Trong máy chẩn đoán OBD-II, module MCP2515 được sử dụng để giao tiếp với CAN Bus trên xe thông qua cổng DB9/OBD-II. Cấu trúc của CAN Bus bao gồm các khung dữ liệu (Data Frame) được gửi và nhận theo giao thức định sẵn. Việc giải mã tin nhắn CAN và chuyển đổi thành các thông tin có ý nghĩa là công việc quan trọng của hệ thống chẩn đoán. Sử dụng lập trình Arduino, các lập trình viên có thể dễ dàng xây dựng các thuật toán để gửi yêu cầu và nhận phản hồi từ các bộ điều khiển điện tử của xe.

3.1. Nguyên Lý Hoạt Động Của CAN Bus

CAN Bus hoạt động dựa trên nguyên lý truyền dữ liệu tuần tự, trong đó các tin nhắn CAN được gửi dưới dạng các khung dữ liệu. Mỗi khung chứa ID định danh, dữ liệu và các bit kiểm tra lỗi. Hệ thống sử dụng độ dài từ biến giúp tối ưu hóa băng thông và tốc độ truyền.

3.2. Các Loại Khung Truyền CAN

Trong giao thức CAN, có ba loại khung chính: Data Frame (khung dữ liệu), Remote Frame (khung yêu cầu) và Overload Frame (khung báo quá tải). Data Frame được sử dụng phổ biến nhất để truyền dữ liệu từ các cảm biến trong hệ thống OBD-II.

IV. Xây Dựng Mô Hình Máy Chẩn Đoán Cơ Bản Với Arduino

Xây dựng một máy chẩn đoán OBD-II cơ bản với Arduino là một dự án thực tiễn giúp sinh viên ngành cơ khí động lực hiểu rõ hơn về hệ thống chẩn đoán trên ô tô. Mô hình này sử dụng Arduino Nano ATmega328p làm bộ vi xử lý chính, kết hợp với module CAN Bus MCP2515 để giao tiếp với OBD-II. Màn hình LCD TFT được sử dụng để hiển thị các thông tin chẩn đoán. Các thành phần khác như module hạ áp LM2596, dây cáp DB9-OBD-II và các linh kiện điện tử khác được tích hợp thành một thiết bị hoàn chỉnh. Lập trình được thực hiện sử dụng Arduino IDE với các thư viện hỗ trợ để gửi yêu cầu CAN và giải mã dữ liệu nhận được. Sau khi xây dựng xong mô hình, tiến hành thử nghiệm trên xe thực tế (như Vios) để xác minh chức năng đọc dữ liệu và đọc mã lỗi. Cuối cùng, thiết kế một vỏ thiết bị chẩn đoán cầm tay để tạo sản phẩm hoàn thiện.

4.1. Các Thành Phần Phần Cứng Chính

Arduino Nano là nền tảng chính với bộ vi xử lý ATmega328p, module MCP2515 xử lý giao thức CAN Bus, và màn hình LCD TFT hiển thị thông tin. Module hạ áp LM2596 cấp nguồn ổn định, dây cáp DB9-OBD-II kết nối với xe. Tất cả được tích hợp trên board mạch thiết kế riêng.

4.2. Lập Trình Và Thử Nghiệm

Sử dụng Arduino IDE, lập trình các thuật toán để gửi yêu cầu CAN theo tiêu chuẩn OBD-II, nhận và giải mã dữ liệu từ xe. Thử nghiệm trên xe Vios thực tế để xác minh đọc dữ liệu động và xóa mã lỗi, sau đó hoàn thiện thiết bị thành sản phẩm cầm tay.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Lý do chọn đề tài Kinh tế nước ta từ khi mở cửa hội nhập và đi theo nền kinh tế thị trường theo định hướng xã hôi chủ nghĩa đã có những bước phát triễn mạnh mẽ. Khi nền kinh tế phát triển thì đòi hỏi ngành giao thông cũng phải phát triển mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu vận chuyển hàng hóa và hành khách ngày càng gia tăng. Để đáp ứng nhu cầu vận chuyển đó có các loại hình vận chuyển như: đường bộ, đường hàng không, đường biển,… Nhưng trong đó vận chuyển đường bộ là phát triển mạnh mẽ nhất và đáp ứng phần lớn nhu cầu vận chuyển của nền kinh tế.

Chính vì vậy trong thời gian gần đây số lượng và chủng loại ô tô nước ta tăng một cách đáng kể. Cùng với quá trình vận hành theo thời gian ô tô sẽ xảy ra những hiện tượng hư hỏng ảnh hưởng đến khả năng vận chuyển của các loai ô tô. Để đảm bảo năng suất cũng như kéo dài thời gian sử dụng các loại phương tiện, trong quá trình hoạt động phải thường xuyên thực hiện công tác kiểm tra, bảo dưỡng, sửa chữa. Chính vì vậy nhu cầu về công tác bảo dưỡng sửa chữa các loại ô tô càng đòi hỏi cấp thiết.

Trước đây khi ô tô đơn thuần chỉ là một hệ thống cơ khí thì công tác bảo dưỡng sửa chữa phụ thuộc nhiều vào trình độ của người thợ và công tác sửa chữa tốn rất nhiều thời gian. Từ những năm 80 của thế kỉ trước các loại vi mạch điện tử đã được con người bắt đầu sử dụng trên ô tô. Theo thời gian điều khiển điện tử tham gia sâu vào quá trình điều khiển ô tô thì phương pháp chuẩn đoán điện tử càng xuất hiện nhiều để dễ dàng giám sát các trạng thái và thông báo tình trạng hỏng hóc của ô tô. Cho đến hiện tại các xe sản xuất buộc phải có hệ thống tự chuẩn đoán mã lỗi tiêu chuẩn đó là hệ thống mã lỗi tiêu chuẩn OBD-II (On-Board Diagnostic II) với giao thức CAN.

Trong quá trình học tập của mình, chúng em luôn mong muốn tìm tòi và áp dụng các kỹ thuật tiên tiến vào công tác bảo dưỡng sửa chữa để công tác bảo dưỡng sủa chữa được chính xác và tiết kiệm. Do đó chúng em đã nghiên cứu về ứng dụng máy chuẩn đoán kỹ thuật trong công tác bảo dưỡng xe ô tô. Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại máy chuẩn đoán cho nhiều chủng loại xe của rất nhiều hãng khác nhau, chúng em rất mong muốn có thể tìm hiểu về tất cả loại máy này. Do khối lượng và thời gian hoàn thành đồ án tốt nghiệp có hạn nên em chỉ xin đi tìm hiểu và xây dựng một máy chuẩn đoán đọc các thông tin cơ bản.

Mục tiêu của đề tài Nhằm phục vụ cho công tác giảng dạy và tạo điều kiện thuận lợi cho giáo viên hướng dẫn sinh viên trong quá trình học tập, giúp sinh viên ứng dụng được ngay bài học lý thuyết vào thực hành. Mục đích của đề tài Trong quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài này, bản thân em nhận thấy đây là cơ hội để cũng cố lại kiến thức mà mình đã được học. Ngoài ra em còn tìm hiểu được những kiếm thức thực tế mà ở trường chưa được học. Đó là sự bổ ích cho ems au này ra trường.

Thực hiện tiểu luận tốt nghiệp cũng là dịp để chúng em nâng cao các kỹ năng nghề nghiệp, khả năng nghiên cứu và phương pháp giải quyết các vấn đề. Cuối cùng việc hoàn thành tiểu luận tốt nghiệp sẽ giúp sinh viên tinh thần trách nhiệm, lòng say mê học hỏi, sáng tạo. Và quan trọng là lòng yêu nghề. Phương pháp nghiên cứu Trong quá trình thực hiện đề tài chúng em có sử dụng một số phương pháp nghiên cứu sau: • Sử dụng kiến thức đã học trong nhà trường và quá trình trải nghiệm của bản thân, nghiên cứu tài liệu về chuẩn đoán bệnh ô tô.

• Tìm kiếm các thông tin trên internet, các website trong và ngoài nước sau đó so sánh và sàng lọc để sử dụng thông tin cần thiết và đáng tin cậy. • Tham khảo ý kiến của giảng viên, các bạn sinh viên trong khoa công nghệ ô tô, … • Tổng hợp và phân tích các nguồn dữ liệu thu thập được, từ đó đưa ra những đánh giá và nhận xét của bản thân. Hạn chế của đề tài Do thời gian và kiến thức có hạn nên không thể, nghiên cứu nhiều hơn xây dựng một mô hình hoàn thiện cũng như không tránh khỏi những sai sót. Vì vậy chúng em rất mong được sự đóng góp chỉ bảo của các thầy cô để đề tài được hoàn thiện hơn và đó là những kinh nghiệm giúp em sau này ra trường.

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN OBD – TÌM HIỂU VỀ OBD-II 2. Lịch sử phát triển OBD Năm 1968, Volkswagen giới thiệu hệ thống tự chẩn đoán trên xe đầu tiên với khả năng quét hệ thống phun nhiên liệu trên xe Volkswagen Type 3. Năm 1978, hệ thống tự chẩn đoán bắt đầu được sử dụng trên các dòng xe như Nissan Datsun 280Z, phần lớn được thúc đẩy bởi nhu cầu điều chỉnh hệ thống phun nhiên liệu theo thời gian thực. Lúc này, Hộp điều khiển điện tử ECU đã phát triển mạnh mẽ và trở nên phổ biến.

Hệ thống OBD đơn giản xuất hiện, dù không có sự tiêu chuẩn hóa trong việc giám sát và mỗi xe lại có một giắc chẩn đoán khác nhau. Năm 1980, General Motors bổ sung một giao diện và giao thức độc quyền để thử nghiệm Mô-đun điều khiển động cơ (ECM) trên dây chuyền lắp ghép xe. Các “Bộ đường truyền liên kết chẩn đoán” (ALDL) giao thức truyền tải với 160bit/s thi hành trên các xe ở California cho mẫu xe năm 1980, và phần còn lại của Hoa Kỳ năm 1981. Hầu hết các chủ xe đều có thể đọc mã DTC (Diagnostic Trouble Code) của hệ thống ECM (Mô-đun điều khiển động cơ) thông qua kiểu nhấp nháy của CEL (Check Engine Light) hoặc MIL (Malfunction Indicator Light).

Năm 1986, một phiên bản nâng cấp của giao thức ALDL xuất hiện, phiên bản này truyền tải với 8192 bit/s với tín hiệu UART một chiều. Giao thức này được định nghĩa trong GM XDE-5024B. Năm 1988, Hiệp hội các kỹ sư ô tô (SAE) giới thiệu một đầu nối chẩn đoán tiêu chuẩn và bộ tín hiệu đo kiểm. Năm 1991, Ban Tài Nguyên & Môi Trường của California yêu cầu tất cả các xe mới đã bán ở California năm 1991 và các xe mới hơn phải được trang bị hệ thống tự chẩn đoán OBD cơ bản.

Với tên gọi tắt là “OBD-I’’, mặc dù tên này không được ứng dụng cho đến khi OBD-II được giới thiệu. Đầu kết nối dữ liệu và vị trí của nó không được tiêu chuẩn hóa, cũng không phải là giao thức dữ liệu. Năm 1994, Với mong muốn có một chương trình thử nghiệm khí thải trên toàn tiểu bang, CARB đưa ra tiêu chuẩn OBD-II và yêu cầu áp dụng tiêu chuẩn này cho các mẫu xe được bán tại California bắt đầu từ năm 1996. Các DTCs và đầu kết nối được đề xuất bởi SAE được kết hợp chặt chẽ trong các đặc điểm kỹ thuật này.

3 Năm 1996, Tiêu chuẩn OBD-II được bắt buộc cho tất cả các xe sản xuất ở Hoa Kỳ được bán tại Hoa Kỳ. Năm 2001, Liên Minh Châu Âu EU áp dụng tiêu chuẩn EOBD đối với tất cả các xe sử dụng nhiên liệu xăng được bán ở Châu âu, bắt đầu từ tháng 01/2001. Tiêu chuẩn EOBD cũng được áp dụng trên tất cả các xe sử dụng nhiên liệu Diesel (2003). Năm 2008, tất cả các xe bán tại Hoa Kỳ đều phải sử dụng tín hiệu tiêu chuẩn ISO 15765 - 4 (một phiên bản của CAN bus).

Năm 2010, Đặc điểm kỹ thuật HDOBD (tải nặng) được bắt buộc thực hiện cho các động cơ thương mại được bán ở Hoa Kỳ (Không phải xe du lịch). Các giao diện chuẩn trên ô tô 2. ALDL ALDL (Assembly Line Diagnostic Link) của GM là một giao diện chẩn đoán độc quyền của General Motors bắt đầu được ứng dụng từ cuối những năm 1970 và đầu những năm 1980 trên hệ thống điều khiển chế hòa khí khép kín (CLCC - Closed Loop Carburetor Control) và các hệ thống phun xăng điện tử (EFI) của GM. Đó là một dạng tiêu chuẩn hóa vì chẩn đoán bằng giắc không thay đổi qua nhiều năm liền nên hãng GM đã đưa ALDL vào sử dụng.1 - Các chân trên giắc ALDL 4 Giao thức kết nối này đã được thay đổi với nhiều loại khác nhau và thay đổi theo các mô-đun điều khiển hệ thống truyền động (PCM, ECM, ECU).

Các phiên bản khác nhau cho thấy sự khác biệt nhỏ trong sơ đồ chân và tốc độ truyền tải dữ liệu. Các phiên bản trước đã sử dụng 160 bit/s, trong khi các phiên bản sau đó lên đến 8192 bit/s và sử dụng hình thức giao tiếp hai chiều với PCM hoặc ECM/TCM. OBD-I Một tiêu chuẩn của California từ những năm 1991. Mục đích pháp lý của OBD-I là khuyến khích các nhà sản xuất ô tô thiết kế các hệ thống kiểm soát khí thải đảm bảo chính xác mà vẫn duy trì được hiệu suất sử dụng của xe.

Các mã chẩn đoán (DTC) của xe OBD-I có thể được tìm thấy mà không cần một máy chẩn đoán đắt tiền. Mỗi nhà sản xuất đã sử dụng chính giắc liên kết chẩn đoán riêng (DLC) của họ: vị trí DLC, dấu hiệu nhận biết DTC và quy trình để đọc DTC từ xe. Các DTC từ xe ô tô OBD-I thường được đọc thông qua kiểu nhấp nháy của đèn ‘Check Enigne’ (CEL – Check Engine Light) hoặc ‘Bảo dưỡng động cơ sớm’ (SES – Service Engine Soon). Bằng cách kết nối một số chân nhất định của giắc chẩn đoán, đèn ‘Check Engine’ sẽ nhấp nháy ra một tín hiệu số có 2 trạng thái tương ứng với một tình trạng lỗi cụ thể.

Tuy nhiên, các DTC của một số xe OBD-I được giải thích theo những cách khác nhau.2 – Hình dạng các giắc OBD-I các hãng xe Hình 2. Các chân trên giắc OBD-I của hãng Toyota 5 2.5 có liên quan một phần đến việc bổ sung OBD-II mà GM đã sử dụng cho một số xe trong năm 1994 và 1995.5 là một thuật ngữ không chính thức. GM không sử dụng thuật ngữ này trong các tài liệu hướng dẫn sử dụng xe của hãng, chỉ đơn giản là nó có một phần của OBD và một phần của OBD 2 trong sổ tay bảo dưỡng. Hầu hết các xe 1994 và 1995 chỉ đơn giản là giắc kết nối dữ liệu ALDL 8196 được nhà cung cấp lấy dữ liệu từ chân số 9 của giắc J1962, nay được chính thức sử dụng cho OBD-II từ năm 1996.