Bryan
Thành viên O-H
Mạng giao tiếp trên ô tô là gì? Tại sao phải sử dụng mạng giao tiếp trên ô tô? Những câu hỏi này sẽ được làm sáng tỏ trong bài viết này. Mời các bác tham khảo.
1. Tại sao phải sử dụng mạng giao tiếp trên ô tô
Hệ thống điều khiển điện tử trên xe bắt đầu phát triển từ đầu những năm 1970. Từ những ngày đầu tiên khi ứng dụng vào hệ thống đánh lửa điều khiển bằng IC điện tử cho đến đầu những năm 1980, đã xuất hiện hộp điều khiển động cơ ECM. Do công nghệ điều khiển điện tử có quá nhiều ưu điểm so với điều khiển bằng cơ khí thông thường cho nên công nghệ này đã phát triển không ngừng và cho đến năm 1990, sự ra đời của hệ thống cân bằng điện tử ESP, hệ thống mã hóa động cơ immobilizer càng khẳng định tầm quan trọng của công nghệ này dẫn đến sự ra đời của hàng loạt hệ thống tiếp theo như hệ thống chìa khóa thông minh Smart Key, hệ thống hỗ trợ đỗ xe Parking Assist, hệ thống kiểm soát chệch làn đường Lane Keeping… Ngày nay tất cả các hệ thống trên xe đều ứng dụng công nghệ điện tử vào điều khiển.
Và trong những ngày đầu tiên khi mới ứng dụng điện tử vào điều khiển ấy, các hộp được nối trực tiếp với nhau từng điểm một là một chuyện hết sức bình thường vì khi đó trên xe có được bao nhiêu hộp đâu, vỏn vẹn chỉ được mỗi hộp động cơ có thể có thêm hộp điều khiển hộp số và đôi khi có cả hộp điều khiển phanh ABS
Thế nhưng cho đến tận bây giờ, một chiếc xe châu Âu bình thường trung bình có khoảng 30 hộp điều khiển khác nhau chưa kể trên một chiếc xe hạng sang thì con số đó lên đến hàng trăm hộp, tất cả hệ thống trên xe dù là nhỏ nhất: điều khiển ghế ngồi, điều khiển mở cốp, điều khiển âm thanh đều có một hộp điều khiển riêng. Tất cả các hộp này đều phải được kết nối với nhau mới có thể lấy tín hiệu của nhau ví dụ hộp điều khiển hộp số TCM 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 tap-lô lấy từ hộp điều khiển hộp số hoặc lấy từ hộp ABS
Như vậy nếu như vẫn sử dụng kiểu kết nối truyền thống bằng dây điện thông thường từng điểm một với nhau theo kiểu point to point thì bạn tưởng tượng xem đường dây của một chiếc xe sẽ phức tạp đến mức nào, có thể cabin xe sẽ thu lại rất nhỏ chừa không gian cho dây điện hoặc kích thước của xe sẽ tăng lên rất nhiều mới có thể chứa đầy tất cả dây điện được
Giả sử chúng ta chấp nhận tăng số lượng dây điện lên để đáp ứng nhu cầu đó thì điều gì sẽ xảy ra?
Không CAN
Có CAN
Chính vì những lý do trên cần phải có một giải pháp tối ưu hơn để giải quyết sự liên kết giữa các hộp điều khiển lại với nhau mà không cần phải gia tăng số lượng dây dẫn. Đó cũng chính là lý do dẫn đến sự ra đời của mạng giao tiếp ô tô ngày nay
2. Mạng giao tiếp trên ô tô là gì?
Mạng giao tiếp trên ô tô và mạng giao tiếp trên phương tiện giao thông nói chung (Vehicle Bus) là hệ thống các hộp điều khiển trên cùng một chiếc xe (ECM, TCM, BCM, ABS…) có thể giao tiếp trao đổi thông tin qua lại lẫn nhau mà không cần phải tăng thêm số lượng dây dẫn để đáp ứng nhu cầu đó.
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 nhằm tối ưu điều khiển và hạn chế dây dẫn. Mạng giao tiếp có ưu điểm là chỉ sử dụng rất ít dây dẫn (1 hoặc 2 dây) nhưng dữ liệu truyền tải cực kỳ nhiều và tốc độ truyển tải cực kỳ nhanh, mỗi hộp điều khiển đều biết được tất cả thông tin của tất cả các hộp khác, chỉ có điều là thông tin nào cần cho nó thì nó sẽ đón nhận, còn lại thông tin gì không cần thiết nó sẽ bỏ qua một bên. Các bạn nào khi sửa chữa đường dây điện đã nhiều lần thấy 2 sợi dây xoắn lại với nhau rồi mà không biết là dây gì và tại sao nó lại xoắn lại như vậy thì giờ các bạn đã biết đó là 2 dây mạng giao tiếp mà cụ thể là mạng CAN rồi đó.
Vậy thì mạng giao tiếp trên ô tô gồm những loại nào, có phải chỉ có những sợi dây được xoắn lại như trên mới được gọi là mạng giao tiếp hay không. Mời các bạn cùng theo dõi phần tiếp theo.
3. Phân loại mạng giao tiếp trên ô tô.
Các bạn biết đấy, các nhà sản xuất ô tô trên thế giới đã nhận thấy điểm hạn chế trên từ rất lâu rồi cho nên vào đầu những năm 1980 đã nghiên cứu và đã cho ra đời nhiều giải pháp về giao tiếp khác nhau. Hiện nay đã có rất nhiều mạng giao tiếp khác nhau trên ô tô, nhưng tóm lại có những mạng giao tiếp chính sau đây:
Có nhiều loại CAN khác nhau: CAN tốc độ cao (high speed CAN), CAN tốc độ thấp (low speed CAN) hoặc Single CAN, mình sẽ nói kỹ hơn ở bài chuyên về mạng CAN. Đặc điểm dễ nhận biết của mạng giao tiếp này là 2 dây xoắn với nhau, 2 điện trở 120 ôm ở hai đầu đấu song song với nhau cho nên nếu đo điện trở của hai dây CAN sẽ bằng 60 ôm, giá trị điện áp của hai dây CAN như sau:
Và không chỉ có CAN, nhiều mạng giao tiếp khác cũng lần lượt ra đời và sử dụng tùy theo mục đích trên xe, tốc độ truyền và hệ thống sử dụng, cụ thể là LIN - mạng giao tiếp phổ biến thứ 2 sau CAN
Đặc điểm của mạng này là liên kết với nhau theo vòng tròn khép kín. Vì vậy khi có một điểm trong vòng tròn này bị đứt hoặc một module hỏng thì xem như toàn hệ thống không hoạt động. Một số module điều khiển (hộp điều khiển) trong vòng tròn đó là: hộp Central Gateway, hộp đồng hồ táp lô, hộp radio, hộp ampli, hộp navigation…
3. Các mạng giao tiếp sử dụng trên xe như thế nào?
Vậy đặt ra đây một câu hỏi đó là các mạng giao tiếp sử dụng trên chiếc xe của chúng ta như thế nào? Có phải một chiếc xe chỉ sử dụng một mạng giao tiếp duy nhất không?
Nhìn vào hình trên này cũng đủ biết rằng trên một chiếc xe có thể kết hợp nhiều loại mạng giao tiếp với nhau tùy theo chức năng của hệ thống mà sử dụng mạng giao tiếp cho phù hợp.
Ví dụ:
Trên hệ thống truyền động, động cơ giao tiếp với hộp số. Hộp số cần nhận tín hiệu từ động cơ về tốc độ vòng tua hiện tại RPM, vị trí bàn đạp ga PPS, độ mở bướm ga TPS… để hộp số có thể điều khiển sang số chính xác theo ý muốn của người lái. Và những tín hiệu này cần phải được truyển tải cực kỳ nhanh mới có thể đáp ứng kịp thời nhu cầu của người lái. Vì vậy, hệ thống truyền động thường sử dụng mạng giao tiếp CAN
Hệ thống cân bằng điện tử ESP phải truyền tín hiệu về độ lệch dọc và ngang của xe phải cực kỳ nhanh cho hộp ABS để điều khiển hãm bánh xe lại. Cho nên chỉ có đường truyền CAN mới có thể đáp ứng được tốc độ truyền này. Tương tự đối với các hệ thống như túi khí, căng đai khẩn cấp... Thông thường hệ thống truyền động, hệ thống khung gầm và những hệ thống liên quan đến sự an toàn và tính mạng con người giao tiếp với nhau qua đường truyền CAN
Các hệ thống Body như điều khiển gạt mưa, nâng hạ kính, điều khiển lock cửa, điều khiển đèn, cảm biến lùi, camera lùi... về bản chất cũng có thể sử dụng mạng CAN được thế nhưng không nhất thiết phải như vậy, những hệ thống này thường không cần tốc độ, và lượng dữ liệu truyền tải nhiều, nếu như vẫn sử dụng CAN thì lại gây lãng phí. Trong trường hợp này sử dụng đường truyền LIN là hợp lý nhất, chỉ dùng một dây có thể giao tiếp 2 chiều vừa tiết kiệm mà vẫn đảm bảo tốc độ truyền tải.
4. Lời kết
Trên đây, mình đã nói qua về mạng giao tiếp trên ô tô hiện đại ngày nay. Chúng là gì? Tại sao phải sử dụng chúng cũng như phân loại một số mạng giao tiếp cơ bản. Tất nhiên đó chỉ là ý kiến chủ quan của mình trong quá trình làm việc và nghiên cứu đút kết lại được, chắc chắn không tránh khỏi sai sót nên rất mong nhận được ý kiến đóng góp của anh em trong nghề. Về cơ bản trên xe hiện nay sử dụng kết hợp nhiều loại mạng giao tiếp với nhau. Tùy theo hệ thống, đặc điểm của hệ thống đó, tốc độ, đặc điểm thích nghi và một số yếu tố khác nữa... mà sẽ sử dụng loại mạng giao tiếp phù hợp. Trong số những loại mạng giao tiếp cơ bản trên thì CAN và LIN là hai loại mạng giao tiếp sử dụng phổ biến nhất hiện nay, hầu hết những xe đời mới hiện nay đều sử dụng 2 loại mạng này. Còn MOST thường thấy sử dụng trên hệ thống thông tin giải trí trên những xe châu Âu. K-line thường được sử dụng trong mạng chẩn đoán lúc trước. Thời gian sau này do sử dụng chẩn đoán qua CAN nên K-line cũng dần ít sử dụng nhưng trên một số hệ thống phụ vẫn còn thấy mạng giao tiếp này.
1. Tại sao phải sử dụng mạng giao tiếp trên ô tô
Hệ thống điều khiển điện tử trên xe bắt đầu phát triển từ đầu những năm 1970. Từ những ngày đầu tiên khi ứng dụng vào hệ thống đánh lửa điều khiển bằng IC điện tử cho đến đầu những năm 1980, đã xuất hiện hộp điều khiển động cơ ECM. Do công nghệ điều khiển điện tử có quá nhiều ưu điểm so với điều khiển bằng cơ khí thông thường cho nên công nghệ này đã phát triển không ngừng và cho đến năm 1990, sự ra đời của hệ thống cân bằng điện tử ESP, hệ thống mã hóa động cơ immobilizer càng khẳng định tầm quan trọng của công nghệ này dẫn đến sự ra đời của hàng loạt hệ thống tiếp theo như hệ thống chìa khóa thông minh Smart Key, hệ thống hỗ trợ đỗ xe Parking Assist, hệ thống kiểm soát chệch làn đường Lane Keeping… Ngày nay tất cả các hệ thống trên xe đều ứng dụng công nghệ điện tử vào điều khiển.
Và trong những ngày đầu tiên khi mới ứng dụng điện tử vào điều khiển ấy, các hộp được nối trực tiếp với nhau từng điểm một là một chuyện hết sức bình thường vì khi đó trên xe có được bao nhiêu hộp đâu, vỏn vẹn chỉ được mỗi hộp động cơ có thể có thêm hộp điều khiển hộp số và đôi khi có cả hộp điều khiển phanh ABS
Thế nhưng cho đến tận bây giờ, một chiếc xe châu Âu bình thường trung bình có khoảng 30 hộp điều khiển khác nhau chưa kể trên một chiếc xe hạng sang thì con số đó lên đến hàng trăm hộp, tất cả hệ thống trên xe dù là nhỏ nhất: điều khiển ghế ngồi, điều khiển mở cốp, điều khiển âm thanh đều có một hộp điều khiển riêng. Tất cả các hộp này đều phải được kết nối với nhau mới có thể lấy tín hiệu của nhau ví dụ hộp điều khiển hộp số TCM 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 tap-lô lấy từ hộp điều khiển hộp số hoặc lấy từ hộp ABS
Như vậy nếu như vẫn sử dụng kiểu kết nối truyền thống bằng dây điện thông thường từng điểm một với nhau theo kiểu point to point thì bạn tưởng tượng xem đường dây của một chiếc xe sẽ phức tạp đến mức nào, có thể cabin xe sẽ thu lại rất nhỏ chừa không gian cho dây điện hoặc kích thước của xe sẽ tăng lên rất nhiều mới có thể chứa đầy tất cả dây điện được
Giả sử chúng ta chấp nhận tăng số lượng dây điện lên để đáp ứng nhu cầu đó thì điều gì sẽ xảy ra?
- Tăng số lượng dây điện đồng nghĩa với việc tăng khối lượng xe và dĩ nhiên sẽ tăng lượng tiêu hao nhiên liệu. Người ta ước tính trên một chiếc xe hạng sang, tổng chiều dài của dây điện có thể lên đến 4.8 km và nặng gần 100 kg
- Dây điện trên ô tô được chế tạo dành cho đặc thù riêng của ô tô để chịu được nhiệt độ, dẫn điện tốt, chống nhiễu và độ bền lâu cho nên giá thành của nó cũng không hề rẽ. Vì vậy nếu như tăng lượng dây thì giá thành của một chiếc ô tô sẽ bị đội lên rất nhiều, thử nghĩ có ai chấp nhận việc tăng giá của một chiếc xe chỉ bởi vì xe đó có nhiều dây điện hơn
- Hãy tưởng tượng với một hệ thống dây mạng chằn chịt như vậy có đảm bảo an toàn hay không, có đảm bảo hệ thống luôn hoạt động tốt và không xảy ra chạm chập gì và nếu như trường hợp bị hư hỏng thì phải mất bao nhiêu thời gian để tìm ra chỗ hỏng giữa một khối lượng dây điện khổng lồ như vậy.
- Ngoài ra, sự gia tăng 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 nhanh chóng, kịp thời và chính xác.
Không CAN
Có CAN
Chính vì những lý do trên cần phải có một giải pháp tối ưu hơn để giải quyết sự liên kết giữa các hộp điều khiển lại với nhau mà không cần phải gia tăng số lượng dây dẫn. Đó cũng chính là lý do dẫn đến sự ra đời của mạng giao tiếp ô tô ngày nay
2. Mạng giao tiếp trên ô tô là gì?
Mạng giao tiếp trên ô tô và mạng giao tiếp trên phương tiện giao thông nói chung (Vehicle Bus) là hệ thống các hộp điều khiển trên cùng một chiếc xe (ECM, TCM, BCM, ABS…) có thể giao tiếp trao đổi thông tin qua lại lẫn nhau mà không cần phải tăng thêm số lượng dây dẫn để đáp ứng nhu cầu đó.
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 nhằm tối ưu điều khiển và hạn chế dây dẫn. Mạng giao tiếp có ưu điểm là chỉ sử dụng rất ít dây dẫn (1 hoặc 2 dây) nhưng dữ liệu truyền tải cực kỳ nhiều và tốc độ truyển tải cực kỳ nhanh, mỗi hộp điều khiển đều biết được tất cả thông tin của tất cả các hộp khác, chỉ có điều là thông tin nào cần cho nó thì nó sẽ đón nhận, còn lại thông tin gì không cần thiết nó sẽ bỏ qua một bên. Các bạn nào khi sửa chữa đường dây điện đã nhiều lần thấy 2 sợi dây xoắn lại với nhau rồi mà không biết là dây gì và tại sao nó lại xoắn lại như vậy thì giờ các bạn đã biết đó là 2 dây mạng giao tiếp mà cụ thể là mạng CAN rồi đó.
Vậy thì mạng giao tiếp trên ô tô gồm những loại nào, có phải chỉ có những sợi dây được xoắn lại như trên mới được gọi là mạng giao tiếp hay không. Mời các bạn cùng theo dõi phần tiếp theo.
3. Phân loại mạng giao tiếp trên ô tô.
Các bạn biết đấy, các nhà sản xuất ô tô trên thế giới đã nhận thấy điểm hạn chế trên từ rất lâu rồi cho nên vào đầu những năm 1980 đã nghiên cứu và đã cho ra đời nhiều giải pháp về giao tiếp khác nhau. Hiện nay đã có rất nhiều mạng giao tiếp khác nhau trên ô tô, nhưng tóm lại có những mạng giao tiếp chính sau đây:
- CAN (Controller Area Network) một giao thức kết nối phổ biến nhất hiện nay với tốc độ có thể lên tới 1 Mb/s cực kì chính xác lại ít bị nhiễu. Được phát triển bởi sự hợp tác của Mercedes Benz và Bosch GmbH vào đầu những năm 1980 tuy nhiên mãi cho đến 1994 mạng CAN mới được cho ứng dụng rộng rãi và cho đến năm 2008, CAN là một tiêu chuẩn của tất cả xe sản xuất tại Mỹ.
Có nhiều loại CAN khác nhau: CAN tốc độ cao (high speed CAN), CAN tốc độ thấp (low speed CAN) hoặc Single CAN, mình sẽ nói kỹ hơn ở bài chuyên về mạng CAN. Đặc điểm dễ nhận biết của mạng giao tiếp này là 2 dây xoắn với nhau, 2 điện trở 120 ôm ở hai đầu đấu song song với nhau cho nên nếu đo điện trở của hai dây CAN sẽ bằng 60 ôm, giá trị điện áp của hai dây CAN như sau:
- 1 dây là CAN high: điện áp dao động từ 2.5 – 3.75 V
- 1 dây là CAN low: điện áp dao động từ 1.25 – 2.5 V
Và không chỉ có CAN, nhiều mạng giao tiếp khác cũng lần lượt ra đời và sử dụng tùy theo mục đích trên xe, tốc độ truyền và hệ thống sử dụng, cụ thể là LIN - mạng giao tiếp phổ biến thứ 2 sau CAN
- LIN (Local Interconnect Network) thường sử dụng trong mạng giao tiếp nội bộ trên hệ thống body không cần tốc độ truyền cao và có thể giao tiếp 2 chiều. Có thể hiểu LIN thường sử dụng trên những hệ thống phụ “Sub system”, những hệ thống không cần tốc độ truyền cao và dữ liệu nhiều. Một số hệ thống thường dùng mạng giao tiếp LIN ví dụ như: điều khiển gương, điều khiển ghế, khóa cửa, cửa sổ trời, gạt mưa, nâng hạ kính…
- MOST (Media Oriented Systems Transport) là mạng giao tiếp có thể nói là mới nhất mà nhiều anh em còn khá lạ lẫm trên ô tô. Nói đơn giản mạng MOST là mạng truyền cáp quang (truyền tín hiệu bằng ánh sáng) với tốc độ tối đa lên đến 150 Mb/s sử dụng trong mạng thông tin giải trí trên xe thường gặp trên các dòng xe châu Âu.
Đặc điểm của mạng này là liên kết với nhau theo vòng tròn khép kín. Vì vậy khi có một điểm trong vòng tròn này bị đứt hoặc một module hỏng thì xem như toàn hệ thống không hoạt động. Một số module điều khiển (hộp điều khiển) trong vòng tròn đó là: hộp Central Gateway, hộp đồng hồ táp lô, hộp radio, hộp ampli, hộp navigation…
- K- line (Keyword Protocol 2000 (KWP2000)) thường sử dụng để chẩn đoán. Trên giắc chẩn đoán OBD-II chúng ta dễ dàng nhận biết mạng K-line qua chân số 7 có nghĩa là giắc chẩn đoán OBD-II của xe nào có sử dụng chân số 7 thì chân đó là chân K-line theo quy ước chung của OBD-II.
Vậy đặt ra đây một câu hỏi đó là các mạng giao tiếp sử dụng trên chiếc xe của chúng ta như thế nào? Có phải một chiếc xe chỉ sử dụng một mạng giao tiếp duy nhất không?
Nhìn vào hình trên này cũng đủ biết rằng trên một chiếc xe có thể kết hợp nhiều loại mạng giao tiếp với nhau tùy theo chức năng của hệ thống mà sử dụng mạng giao tiếp cho phù hợp.
Ví dụ:
Trên hệ thống truyền động, động cơ giao tiếp với hộp số. Hộp số cần nhận tín hiệu từ động cơ về tốc độ vòng tua hiện tại RPM, vị trí bàn đạp ga PPS, độ mở bướm ga TPS… để hộp số có thể điều khiển sang số chính xác theo ý muốn của người lái. Và những tín hiệu này cần phải được truyển tải cực kỳ nhanh mới có thể đáp ứng kịp thời nhu cầu của người lái. Vì vậy, hệ thống truyền động thường sử dụng mạng giao tiếp CAN
Hệ thống cân bằng điện tử ESP phải truyền tín hiệu về độ lệch dọc và ngang của xe phải cực kỳ nhanh cho hộp ABS để điều khiển hãm bánh xe lại. Cho nên chỉ có đường truyền CAN mới có thể đáp ứng được tốc độ truyền này. Tương tự đối với các hệ thống như túi khí, căng đai khẩn cấp... Thông thường hệ thống truyền động, hệ thống khung gầm và những hệ thống liên quan đến sự an toàn và tính mạng con người giao tiếp với nhau qua đường truyền CAN
Các hệ thống Body như điều khiển gạt mưa, nâng hạ kính, điều khiển lock cửa, điều khiển đèn, cảm biến lùi, camera lùi... về bản chất cũng có thể sử dụng mạng CAN được thế nhưng không nhất thiết phải như vậy, những hệ thống này thường không cần tốc độ, và lượng dữ liệu truyền tải nhiều, nếu như vẫn sử dụng CAN thì lại gây lãng phí. Trong trường hợp này sử dụng đường truyền LIN là hợp lý nhất, chỉ dùng một dây có thể giao tiếp 2 chiều vừa tiết kiệm mà vẫn đảm bảo tốc độ truyền tải.
4. Lời kết
Trên đây, mình đã nói qua về mạng giao tiếp trên ô tô hiện đại ngày nay. Chúng là gì? Tại sao phải sử dụng chúng cũng như phân loại một số mạng giao tiếp cơ bản. Tất nhiên đó chỉ là ý kiến chủ quan của mình trong quá trình làm việc và nghiên cứu đút kết lại được, chắc chắn không tránh khỏi sai sót nên rất mong nhận được ý kiến đóng góp của anh em trong nghề. Về cơ bản trên xe hiện nay sử dụng kết hợp nhiều loại mạng giao tiếp với nhau. Tùy theo hệ thống, đặc điểm của hệ thống đó, tốc độ, đặc điểm thích nghi và một số yếu tố khác nữa... mà sẽ sử dụng loại mạng giao tiếp phù hợp. Trong số những loại mạng giao tiếp cơ bản trên thì CAN và LIN là hai loại mạng giao tiếp sử dụng phổ biến nhất hiện nay, hầu hết những xe đời mới hiện nay đều sử dụng 2 loại mạng này. Còn MOST thường thấy sử dụng trên hệ thống thông tin giải trí trên những xe châu Âu. K-line thường được sử dụng trong mạng chẩn đoán lúc trước. Thời gian sau này do sử dụng chẩn đoán qua CAN nên K-line cũng dần ít sử dụng nhưng trên một số hệ thống phụ vẫn còn thấy mạng giao tiếp này.
