Các ô tô hiện đại phụ thuộc rất nhiều vào công nghệ truyền dữ liệu để chia sẻ thông tin và phối hợp hoạt động giữa nhiều chi tiết và hệ thống điện tử. Việc hiểu các giao thức truyền thông cơ bản ngày càng trở nên quan trọng khi ngành công nghiệp ô tô đã trở thành các phương tiện kết nối thông minh.

FlexRay, mạng CAN và mạng kết nối cục bộ LIN là ba trong số các giải pháp công nghệ giao tiếp thường được sử dụng nhiều nhất trên xe hiện nay.

Trong xu hướng sắp tới, phát triển các công nghệ này sẽ tác động sâu hơn đến ngành công nghiệp ô tô. Do đó, tìm hiểu  FlexRay, CAN và LIN sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về mạng các hệ thống truyền thông phức tạp làm nền tảng cho hoạt động của ô tô hiện đại

Định nghĩa

Mạng giao tiếp trên ô tô nói riêng và 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 để đáp ứng nhu cầu đó.

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.

Mạng giao tiếp trên ô tô LIN-bus:

Từ lâu, mạng LIN bus đã ra đời và được sử dụng khá phổ biến trong ngành kỹ thuật ô tô. LIN viết tắt là Local Interconnect Network (LIN bus protocol). Mạng giao tiếp trên ô tô này bao gồm những thành phần sau:

• Hộp điều khiển Level cao (hay còn gọi là Master).
• Hộp điều khiển Level thấp (hay còn gọi là Slave).
• Kết nối tín hiệu kiểu 1 dây.

LIN bus (LIN bus protocol) là hệ thống mạng giao tiếp 2 chiều, chỉ sử dụng một dây dẫn trong suốt quá trình truyền tín hiệu giữa các hộp điều khiển với nhau. Chúng ta có thể dễ dàng nhận thấy mạng LIN bus này ở nhiều hệ thống trên xe như: cảm biến quản lý bình, máy phát, hệ thống lạnh, hệ thống chiếu sáng trên các đời xe sử dụng bóng Xenon,…

Đặc điểm của mạng giao tiếp trên ô tô này là tốc độ truyền tải thấp. Chúng thường sẽ sử dụng cho các chức năng trong xe mà không đòi hỏi tốc độ phản hồi cao như điều chỉnh ghế, chỉnh gương,…

Ở góc độ kỹ thuật, mạng LIN bus (LIN bus protocol) sẽ mang điện áp khi “Wake-up” là 12V và khi truyền tín hiệu,khi đó điện áp đo được vào khoảng 9–11V. Tuy nhiên, để biết chính xác rằng mạng LIN bus có đang được ổn định hay không thì phải đo bằng máy đo xung cho chính xác nhất.

Mạng giao tiếp trên ô tô CAN-bus:

CAN bus là gì? Đây là một trong những mạng giao tiếp trên ô tô khá phổ biến với đại đa số các phương tiện đang lưu thông trên đường hiện nay. Cũng giống như LIN bus, mạng CAN bus cũng đã có từ rất lâu và lần đầu tiên mà chúng xuất hiện là trên những chiếc xe cao cấp đến từ Đức là BMW và Mercedes-Benz.

CAN là viết tắt của Controller Area Network. Với tốc độ trung bình có thể nằm ở nhiều phân khúc là 100kB/s, 500kB/s hoặc có khi lên đến 1000kB/s. Có thể thấy với tốc độ truyền tải này, CAN bus nhanh hơn LIN bus từ 10–20 lần, nên sẽ thường được dùng cho các hệ thống yêu cầu tốc độ cao như hệ thống DriveTrain, PowerTrain, túi khí, hệ thống chiếu sáng, quản lý năng lượng,…

CAN-bus gồm những đặc điểm nhận dạng sau:

• Kết nối tín hiệu kiểu 2 dây, luôn luôn xoắn lại với nhau.
• CAN bus không có Slave hay Master, mỗi hộp điều khiển đều có chức năng nhận và truyền dữ liệu lẫn nhau xuyên suốt quá trình điều khiển.
• Tại 2 đầu dây sẽ có 2 điện trở 60Ω, để trong trạng thái tương đương hoạt động khi bình thường là 120Ω.

Dưới góc độ kỹ thuật, 2 dây mạng CAN sẽ là CAN-high và CAN-low. Cả hai dây đều có điện áp mang là 2,5V tuy nhiên khi truyền tải dữ liệu, CAN-high sẽ có điện áp dao động từ 2,5–3,5V và CAN-low từ 2,5–1,5V tùy vào lượng thông tin đang được truyền tải.

Vì đây là dạng xung giao tiếp,nên dùng máy đo xung để theo dõi chính xác nhất về mạng giao tiếp trên ô tô này.

FlexRAY

FlexRAY là một giao thức được sử dụng cho các ứng dụng ô tô động như điều khiển khung gầm. Nó ra đời vào năm 2005 bởi FlexRAY Consortium, nhưng kể từ đó đã được tiêu chuẩn hóa theo ISO 17458-1 đến 17458-5.

FlexRAY truyền dữ liệu qua một hoặc hai cáp xoắn đôi, không được che chắn. Nó chạy ở tốc độ 10 Mbps và hỗ trợ cấu hình một hoặc hai dây. Các cấu trúc liên kết mạng bus, star và hybrid được hỗ trợ, với tốc độ lên đến 10 Mbps. Tín hiệu vi sai giữ cho nhiễu ở mức thấp mà không cần cáp che chắn, làm tăng thêm chi phí và trọng lượng.

Như với CAN, chỉ một nút có thể ghi vào bus FlexRAY cùng một lúc. CAN sử dụng một bit phân xử để xác định dữ liệu nào được ưu tiên và được phép tiếp tục. Mặt khác, FlexRAY sử dụng phương pháp Đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA).

Trong đó mỗi nút được đồng bộ hóa theo thời gian, phải đợi đến lượt gửi thông báo. Điều này giúp tránh va chạm và cho phép thông lượng dữ liệu tổng thể cao hơn trên xe buýt do tốc độ dữ liệu tổng thể của xe buýt cao.

FlexRAY thường được triển khai trong cấu trúc liên kết Multi-Drop cổ điển được chia sẻ bởi LIN và CAN. Tuy nhiên, nó cũng có thể được định cấu hình trong cấu trúc liên kết hình sao. Cấu trúc liên kết hình sao có ưu điểm là không cho phép một lỗi dây dẫn ảnh hưởng đến nhiều hơn một nút. FlexRAY cũng có thể được thực hiện trong một cấu trúc liên kết hỗn hợp.

FlexRAY được sử dụng thường xuyên nhất cho các ứng dụng điều khiển khung gầm chủ động, an toàn và hệ thống truyền lực hiệu suất cao. FlexRAY đắt hơn việc triển khai CAN bus.

Tuy nhiên, khi các cặp đường dữ liệu song song kép được sử dụng, điều này cung cấp khả năng dự phòng: khi một đường bị hỏng, đường thứ hai có thể tiếp quản. Điều này rất quan trọng trong các ứng dụng quan trọng như lái và phanh. Các ứng dụng FlexRAY không quan trọng về mức độ an toàn thường sử dụng một cặp xoắn duy nhất.

Tầm quan trọng

Từ đầu năm 1970, hệ thống điều khiển điện tử trên xe bắt đầu phát triển, khi ứng dụng lần đầu tiên vào hệ thống đánh lửa điều khiển bằng IC. Đến đầu những năm 1980, thì hộp ECM điều khiển động cơ xuất hiện.

Có quá nhiều ưu điểm so với điều khiển bằng cơ khí nên công nghệ điều khiển điện tử được nghiên cứu và phát triển nhanh chóng 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. Điều này đã 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…

Ở thời kì đầu, khi mà có quá ít hộp điều khiển và thông thường chỉ có hộp động cơ hoặc nhiều hơn là hộp điều khiển hộp số và ABS, thì các ECM được đấu nối trực tiếp với nhau từng điểm một.

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 ECM 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 điều khiển này được kết nối với nhau để trao đổi tín hiệu. 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 taplo lấy từ hộp điều khiển hộp số hoặc lấy từ hộp ABS cho thấy một mối quan hệ xuyên suốt.

Với sự ra đời của các hệ thống điều khiển điện tử này đã làm giảm số lượng dây điện trên ô tô xuống tới 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 hệ thống thông thường 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 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.