Xe buýt CAN là gì và nó có vai trò gì trong các hệ thống ô tô?

Bạn bước vào xe, nhấn nút khởi động và động cơ hoạt động ngay lập tức, nhưng làm thế nào để chiếc xe của bạn quyết định xem nó có nên khởi động hay không?

Để làm cho chiếc xe khởi động, một số ăng-ten và Bộ điều khiển điện tử đã giao tiếp với chìa khóa. Giao thức Mạng Khu vực Bộ điều khiển (CAN) đảm bảo giao tiếp giữa ổ khóa, ăng-ten và ECU của bạn diễn ra thích hợp bên trong ô tô của bạn.

Vậy giao thức CAN là gì và nó giúp các thiết bị trên hệ thống trên xe của bạn hoạt động cùng nhau như thế nào? Vâng, chúng ta hãy tìm hiểu.

Giao thức CAN là gì và Tại sao Cần phải có?

Ngày trước, ô tô không có nhiều đồ điện tử. Trên thực tế, nếu bạn muốn khởi động chiếc xe của mình vào đầu những năm 1900, bạn phải ra khỏi xe và quay động cơ bằng tay.

Ngược lại, ô tô ngày nay có một số cảm biến điện tử, và các thiết bị điện tử giám sát mọi thứ, từ nhiệt độ cabin đến vòng quay của trục khuỷu.

Điều đó nói rằng, dữ liệu nhận được từ các cảm biến này không có giá trị gì cho đến khi nó được xử lý. Quá trình xử lý dữ liệu này được thực hiện bởi các thiết bị tính toán được gọi là Đơn vị điều khiển điện tử (ECU).

Không giống như một máy tính có một CPU, một chiếc ô tô có một số ECU, mỗi ECU chịu trách nhiệm thực hiện một tác vụ cụ thể. Mặc dù các ECU này có thể thực hiện một nhiệm vụ duy nhất một cách hiệu quả, nhưng chúng phải làm việc cùng nhau để đảm bảo các tính năng như ABS và ESC hoạt động bình thường.

Do đó, tất cả các ECU trên ô tô cần được kết nối. Người ta có thể sử dụng cấu trúc liên kết điểm-điểm để tạo các kết nối này, trong đó mỗi ECU được kết nối trực tiếp với mọi ECU khác. Tuy nhiên, kiến ​​trúc này sẽ làm cho hệ thống trở nên phức tạp. Trên thực tế, một chiếc xe hiện đại có hơn 70 ECU và việc kết nối chúng theo kiểu 1-1 sẽ làm tăng trọng lượng của hệ thống dây điện theo cấp số nhân.

Để giải quyết vấn đề này, Bosch cùng với Mercedes-Benz và Intel đã tạo ra giao thức Mạng Vùng Bộ điều khiển vào năm 1986. Giao thức này cho phép các ECU giao tiếp với nhau bằng cách sử dụng một bus dữ liệu dùng chung được gọi là CAN bus.

LÀM THẾ NÀO CÓ THỂ LÀM VIỆC?

Giao thức CAN là một phương pháp truyền thông dựa trên thông điệp dựa trên một tập hợp các cặp cáp xoắn để truyền dữ liệu. Các dây này được gọi là CÓ THỂ cao và CÓ THỂ thấp.

Để cho phép truyền dữ liệu trên các dây này, các mức điện áp của chúng được thay đổi. Những thay đổi về mức điện áp này sau đó được chuyển sang mức logic cho phép các ECU trên ô tô giao tiếp với nhau.

Để truyền logic một trên bus CAN, điện áp của cả hai đường được đặt thành 2,5 volt. Trạng thái này còn được gọi là trạng thái lặn, có nghĩa là bus CAN có sẵn để sử dụng bởi bất kỳ ECU nào.

Ngược lại, logic 0 được truyền trên bus CAN khi đường cao CAN ở điện áp 3,5 vôn và đường thấp CAN ở 1,5 vôn. Trạng thái này của bus còn được gọi là trạng thái ưu thế, cho mọi ECU trong hệ thống biết rằng ECU khác đang truyền, vì vậy chúng nên đợi cho đến khi quá trình truyền kết thúc trước khi bắt đầu truyền thông điệp của mình.

Để thực hiện những thay đổi điện áp này, các ECU của ô tô được kết nối với bus CAN thông qua bộ thu phát CAN và bộ điều khiển CAN. Bộ thu phát có nhiệm vụ chuyển đổi các mức điện áp trên CAN bus sang các mức mà ECU có thể hiểu được. Mặt khác, bộ điều khiển được sử dụng để quản lý dữ liệu nhận được và đảm bảo rằng các yêu cầu của giao thức được đáp ứng.

Tất cả các ECU này được kết nối với CAN bus đều có thể truyền dữ liệu trên cáp xoắn, nhưng có một điểm bắt, chỉ có thông báo có mức ưu tiên cao nhất mới được truyền trên CAN bus. Để hiểu cách một ECU truyền dữ liệu trên CAN bus, chúng ta cần hiểu cấu trúc bản tin của giao thức CAN.

Hiểu cấu trúc thông điệp của giao thức CAN

Bất cứ khi nào hai ECU muốn giao tiếp, các bản tin có cấu trúc bên dưới sẽ được truyền trên CAN bus.

Các thông báo này được chuyển bằng cách thay đổi mức điện áp trên bus CAN và thiết kế cặp xoắn của dây CAN ngăn ngừa hỏng dữ liệu trong quá trình truyền.

• SOF: Viết tắt của Start Of Frame, bit SOF là một khung dữ liệu bit chi phối duy nhất. Bit này được truyền bởi một nút khi nó muốn gửi dữ liệu trên CAN bus.
• Định danh: Định danh trên giao thức CAN có thể có kích thước 11 bit hoặc 29 bit. Kích thước của số nhận dạng dựa trên phiên bản của giao thức CAN đang được sử dụng. Nếu phiên bản mở rộng của CAN được sử dụng, thì kích thước của số nhận dạng là 29 bit và trong các trường hợp khác, kích thước của số nhận dạng là 11 bit. Mục tiêu chính của mã định danh là xác định mức độ ưu tiên của thông báo.
• RTR: Yêu cầu truyền từ xa hoặc RTR được sử dụng bởi một nút khi dữ liệu cần được yêu cầu từ một nút khác. Để làm điều này, nút muốn dữ liệu sẽ gửi một thông báo có bit lặn trong khung RTR đến nút dự định.
• DLC: Mã độ dài dữ liệu xác định kích thước của dữ liệu được truyền trong trường dữ liệu.
• Trường dữ liệu: Trường này chứa tải trọng dữ liệu. Kích thước của tải trọng này là 8 byte, nhưng các giao thức mới hơn như CAN FD tăng kích thước của tải trọng này lên 64 byte.
• CRC: Viết tắt của Kiểm tra dự phòng theo chu kỳ, trường CRC là khung kiểm tra lỗi. Cùng có kích thước 15 bit và được tính toán bởi cả máy thu và máy phát. Nút truyền tạo CRC cho dữ liệu khi được truyền. Khi nhận dữ liệu, người nhận sẽ tính CRC cho dữ liệu nhận được. Nếu cả hai CRC đều khớp, tính toàn vẹn của dữ liệu được xác nhận. Nếu không, dữ liệu có lỗi.
• Trường xác nhận: Khi dữ liệu được nhận và không có lỗi, nút nhận sẽ đưa một bit chi phối vào khung báo nhận và gửi lại cho máy phát. Điều này cho máy phát biết rằng dữ liệu đã được nhận và không có lỗi.
• Kết thúc khung: Khi quá trình truyền dữ liệu hoàn tất, bảy bit lặn liên tiếp sẽ được truyền. Điều này đảm bảo rằng tất cả các nút đều biết rằng một nút đã hoàn thành việc truyền dữ liệu và chúng có thể truyền dữ liệu trên bus.

Ngoài các bit ở trên, giao thức CAN có một số bit được dành riêng để sử dụng trong tương lai.

Đơn giản hóa CAN thông qua một ví dụ

Bây giờ chúng ta đã hiểu cơ bản về thông báo trên CAN bus trông như thế nào, chúng ta có thể hiểu cách dữ liệu được truyền giữa các ECU khác nhau.

Để đơn giản, giả sử xe của chúng ta có 3 ECU: Node 1, Node 2 và Node 3. Trong số 3 ECU, Node 1 và Node 2 muốn giao tiếp với Node 3.

Hãy xem giao thức CAN giúp đảm bảo giao tiếp trong một tình huống như vậy như thế nào.

• Phát hiện trạng thái của xe buýt: Tất cả các ECU trên ô tô đều được kết nối với CAN bus. Trong trường hợp ví dụ của chúng tôi, Nút 1 và Nút 2 muốn gửi dữ liệu đến một ECU khác; trước khi làm điều đó, cả hai ECU cần phải kiểm tra trạng thái của CAN bus. Nếu xe buýt ở trạng thái thống trị, thì các ECU không thể truyền dữ liệu khi xe buýt đang được sử dụng. Mặt khác, nếu xe buýt ở trạng thái lặn, các ECU có thể truyền dữ liệu.
• Gửi phần Bắt đầu của Khung: Nếu điện áp chênh lệch trên bus CAN bằng 0, cả Node 1 và Node 2 đều thay đổi trạng thái của bus thành trội. Để làm điều này, điện áp của CAN cao được nâng lên 3,5 volt và điện áp của CAN thấp được giảm xuống 1,5 volt.
• Quyết định nút nào có thể truy cập xe buýt: Khi SOF được gửi đi, cả hai nút cạnh tranh để truy cập bus CAN. Bus CAN sử dụng giao thức Phát hiện va chạm / Đa truy cập của Carrier Sense (CSMA / CD) để quyết định nút nào có quyền truy cập. Giao thức này so sánh các số nhận dạng được truyền bởi cả hai nút và cấp quyền truy cập vào số có mức độ ưu tiên cao hơn.
• Gửi dữ liệu: Khi nút có quyền truy cập vào bus, trường dữ liệu, cùng với CRC, sẽ được gửi đến máy thu.
• Kiểm tra và kết thúc giao tiếp: Khi nhận dữ liệu, Node 3 sẽ kiểm tra CRC của dữ liệu đã nhận. Nếu không có lỗi, Node 3 sẽ gửi một bản tin CAN đến nút truyền với một bit chi phối trên khung báo nhận cùng với EOF để kết thúc truyền thông.

Các loại CAN khác nhau

Mặc dù cấu trúc thông báo được sử dụng bởi giao thức CAN vẫn giữ nguyên, tốc độ truyền dữ liệu và kích thước của các bit dữ liệu được thay đổi để truyền dữ liệu có băng thông cao hơn.

Do những khác biệt này, giao thức CAN có các phiên bản khác nhau và tổng quan về giao thức này được đưa ra dưới đây:

• CAN tốc độ cao: Dữ liệu trên dây CAN được truyền nối tiếp và quá trình truyền này có thể được thực hiện ở các tốc độ khác nhau. Đối với CAN tốc độ cao, tốc độ này là 1 Mbps. Do tốc độ truyền dữ liệu cao này, tốc độ cao có thể được sử dụng cho các ECU điều khiển hệ thống truyền lực và hệ thống an toàn.
• CAN tốc độ thấp: Trong trường hợp CAN tốc độ thấp, tốc độ truyền dữ liệu giảm xuống còn 125 kbps. Vì tốc độ thấp có thể cung cấp tốc độ dữ liệu thấp hơn, nó được sử dụng để kết nối các ECU quản lý sự thoải mái của hành khách, như điều hòa không khí hoặc hệ thống thông tin giải trí.
• Có thể FD: Viết tắt của tốc độ dữ liệu linh hoạt CAN, CAN FD là phiên bản mới nhất của giao thức CAN. Nó tăng kích thước của khung dữ liệu lên 64 byte và cho phép các ECU truyền dữ liệu với tốc độ từ 1 Mbps đến 8 Mbps. Tốc độ truyền dữ liệu này có thể được quản lý bởi các ECU trong thời gian thực dựa trên các yêu cầu của hệ thống, cho phép dữ liệu được truyền với tốc độ cao hơn.

Tương lai của Truyền thông Ô tô là gì?

Giao thức CAN cho phép một số ECU giao tiếp với nhau. Giao tiếp này hỗ trợ các tính năng an toàn như kiểm soát ổn định điện tử và các hệ thống hỗ trợ người lái tiên tiến như phát hiện điểm mù và kiểm soát hành trình thích ứng.

Điều đó nói lên rằng, với sự ra đời của các tính năng tiên tiến như lái xe tự động, lượng dữ liệu được truyền bởi CAN bus đang tăng lên theo cấp số nhân. Để kích hoạt các tính năng này, các phiên bản mới hơn của giao thức CAN, như CAN FD, đang tham gia vào thị trường.