Trước khi thực hiện viết bài này, mình có tham khảo trên mạng một số bài viết khác thì thấy hầu hết các bài viết đều sử dụng cụm từ “mạng giao tiếp’’. Trong khuôn khổ bài viết này với mục đích giới thiệu một cách tổng quan về các loại mạng giao tiếp được sử dụng trên ô tô với góc nhìn dành cho người sửa chữa ô tô hoặc sinh viên theo học ngành ô tô tham khảo để có cái nhìn tổng quan, do vậy mình cũng sẽ sử dụng cụm từ “mạng giao tiếp”.
Tuy nhiên với sự tiếp cận ngày càng sâu của nền công nghiệp ô tô Việt Nam, chúng ta đang dần dần từng bước làm chủ công nghệ. Mình sẽ có những bài viết riêng biệt để mô tả chi tiết hơn về từng loại mạng giao tiếp khác nhau với mục đích dành cho những ai muốn tìm hiểu sâu hơn. Khi đó mình sẽ sử dụng cụm từ “giao thức truyền thông” để thay thế cho cụm từ “mạng giao tiếp”. Bởi khi nói chi tiết về từng loại mạng, nó sẽ bao gồm những nguyên tắc, tiêu chuẩn thiết kế của từng loại mạng đó được đóng gói lại thành một giao thức sử dụng để truyền thông tin giữa các ECU trên xe. Một lý do khác là cụm từ “giao thức truyền thông” cũng sát nghĩa hơn với từ nguyên bản trong tiếng Anh là “Communication protocol”.
1. Mạng giao tiếp trên ô tô là gì?
Mạng giao tiếp trên ô tô là đường truyền dữ liệu nội bộ được sử dụng để trao đổi thông tin, dữ liệu giữa các ECUs (2 hoặc nhiều hơn 2) trên xe nhằm phối kết hợp giữa các ECUs khác nhau để thực hiện một chức năng nào đó trên xe hoặc đơn giản chỉ là chia sẻ thông tin từ ECU này với ECU khác trong quá trình hoạt động.
Hiểu một cách đơn giản thì mạng giao tiếp như là ngôn ngữ nào đó mà con người sử dụng để giao tiếp với nhau. Con người sử dụng ngôn ngữ để trao đổi hoặc chia sẻ thông tin trong cuộc sống vì một mục đích gì đó. Có rất nhiều loại ngôn ngữ khác nhau trên thế giới, và mạng giao tiếp trên ô tô cũng có nhiều loại khác nhau tùy, chỉ khác là không có rất rất nhiều loại ngôn ngữ khác nhau như con người mà thôi.
Để phù hợp với yêu cầu khác nhau của các hệ thống và tối ưu chi phí sản xuất, trên xe có thể được kết hợp bởi nhiều loại mạng giao tiếp khác nhau. Các mạng giao tiếp khác nhau trên xe này tạo lên một mạng truyền thông nội bộ trên xe, được gọi là In-Vehicle Network (IVN).
2. Tại sao ô tô cần mạng giao tiếp
Trên các ô tô hiện đại ngày nay, các nhà sản xuất càng ngày càng tích hợp và phát triển nhiều các hệ thống tự động thông minh để nâng cao sự tiện nghi và an toàn của xe. Từ đó làm cho hệ thống điện càng ngày càng trở nên phức tạp, sử dụng nhiều dây điện hơn. Số lượng dây điện tăng, làm cho kích thước của các bó dây điện tăng, khối lượng hệ thống dây điện tăng và có nhiều hư hỏng có thể xảy ra với dây điện hơn.
Ví dụ khi chỉ sử dụng dây điện thông thường, chỉ riêng dây điện đi vào cửa ghế lái cũng có thể có tới hơn 50 sợi để phục vụ cho các hệ thống như: lên xuống kính, hệ thống khóa cửa, hệ thống chìa khóa thông minh, điều chỉnh gương, đèn cảnh báo điểm mù, loa giải trí, các đèn trang trí, hệ thống chống trộm, hệ thống điều chỉnh ghế, đèn xi nhan, camera hỗ trợ đỗ xe…. Ngoài ra các hệ thống thông minh khác nhau nhưng vẫn sử dụng chung cảm biến và trao đổi thông tin với nhau càng làm tăng mức độ phức tạp của hệ thống dây dẫn và các giắc kết nối.
Giải pháp thứ nhất cho vấn đề trên có thể là sử dụng chung 1 ECU để điều khiển các hệ thống khác nhau. Tuy nhiên giá thành sẽ cao và khả năng tích hợp cho các dòng xe khác nhau là kém. Thực tế giải pháp này cũng được áp dụng trên ô tô nhưng không phải mục đích để giải quyết vấn đề về dây điện nói trên.
Giải pháp thứ hai cho vấn đề trên là sử dụng một đường truyền dữ liệu chung (common data bus), giúp các ECU có thể trao đổi thông tin với nhau và cảm biến có thể dùng chung. Từ đó làm giảm số lượng dây điện sử dụng, giảm khối lượng dây, giảm các hư hỏng liên quan đến dây điện có thể sảy ra.
Như vậy lý do rất sơ khai của việc ô tô cần sử dụng mạng giao tiếp là để đơn giản hóa hệ thống dây điện trên xe, từ đó mang đến rất nhiều lợi ích về hiệu năng của xe, tính ổn định, tính an toàn và khả năng tích hợp các hệ thống phức tạp lên xe.
Một lý do vui khác của việc ô tô cần phải có mạng giao tiếp, đó là giúp làm cho cuộc sống của các kỹ sư thiết kế và sửa xe trở nên dễ dàng hơn, không bị đau não bởi đống dây điện như mạng nhện. Bạn có thể hình dung nếu kiểm tra 1 lỗi nào đó của hệ thống điện mà phải đo kiểm đến cả trăm dây điện, cả chục vị trí giắc nối thì thực sự đó không khác gì đeo vòng Kim cô của Tôn Ngộ Không mà còn không hiệu quả.
3. Lợi ích của việc sử dụng mạng giao tiếp trên ô tô
Việc sử dụng mạng giao tiếp trên ô tô mang lại những lợi ích trực tiếp rất lớn cho nhà sản xuất và gián tiếp cho người sử dụng. Trong đó phải kể đến 5 lợi ích sau:
- Giảm chi phí: Việc sử dụng các mạng giao tiếp giúp các ECU khác nhau có thể liên lạc, trao đổi thông tin với nhau và dùng chung một số phần cứng. Do vậy làm giảm số lượng dây điện cần phải sử dụng, giúp giảm chi phí sản xuất.
- Tăng hiệu năng và tính ổn định của xe: Nhờ mạng giao tiếp mà các ECU điều khiển các hệ thống khác nhau có thể liên lạc và chia sẻ thông tin với nhau, chia sẻ cảm biến với nhau. Từ đó giúp quá trình điều khiển được tối ưu hơn, nâng cao hiệu năng và sự hoạt động ổn định của xe. Ngoài ra việc giảm số lượng dây điện dẫn đến giảm khối lượng của xe, tối ưu hóa không gian trong xe và giảm hư hỏng có thể xảy ra với dây điện, từ đó một phần cũng làm tăng hiệu năng và sự bền bỉ của xe.
- Tăng khả năng tích hợp: Mạng giao tiếp cho phép các ECU đảm nhiệm các hệ thống khác nhau có thể liên kết với nhau, từ đó nhà sản xuất dễ dàng hơn trong việc tích hợp các hệ thống thông minh và tiện nghi lên xe. Ngoài ra các mạng giao tiếp trên xe đều được thiết kế theo một tiêu chuẩn chung, do vậy nhà sản xuất cũng dễ dàng hơn trong việc tích hợp các ECU từ các nhà sản xuất khác nhau.
- Tăng tính an toàn khi lái xe: Mạng giao tiếp đảm nhiệm một vai trò cực kỳ quan trọng đối với hệ thống hỗ trợ người lái nâng cao (Advanced Driver Assistance Systems - ADAS), khi cho phép các ECU của hệ thống này liên lạc với các ECU của hệ thống khác như động cơ, phanh, đèn… để đảm bảo an toàn và giảm thiểu nguy cơ chấn thương trong các tình huống nguy hiểm. Nếu không có mạng giao tiếp, hệ thống này sẽ không thể hoạt động một cách hiệu quả được.
- Gia tăng trải nghiệm người dùng: Chính nhờ việc các ECU điều khiển các hệ thống khác nhau có thể liên lạc với nhau, do vậy nhà sản xuất có thể phát triển các tính năng thông minh hơn đòi hỏi sự kết hợp của nhiều hệ thống khác nhau như: bật điều hòa từ xa cho khi đỗ xe dưới trời nắng, mở cửa kính từ xa trước khi vào xe, hệ thống dẫn đường trên màn hình hắt kính chắn gió (Head Up Display - HUD),… từ đó giúp gia tăng trải nghiệm và sự tiện nghi cho người dùng
4. Các loại mạng giao tiếp và ứng dụng
Như mình đã đề cập trong phần đầu, trong bài này mình sẽ chỉ đề cập một cách cơ bản các loại mạng giao tiếp mà không đi quá sâu vài mô tả chi tiết về từng loại mạng.
Trên ô tô, các hệ thống khác nhau thì đảm nhiệm các vai trò khác nhau do vậy có yêu cầu kỹ thuật khác cho về loại mạng giao tiếp được sử dụng. Ví dụ như hệ thống màn hình giải trí, sẽ có nhu cầu truyền tải lượng dữ liệu lớn và liên tục khi hoạt động. Trong khi hệ thống điều khiển lên xuống kính sẽ không có nhu cầu truyền tải nhiều thông tin và cũng không hoạt động liên tục.
Các loại mạng giao tiếp phổ biến được sử dụng trên ô tô có thể kể đến như sau:
Mạng LIN (Local Interconnect Network)
- Đặc điểm nổi trội là chi phí sản xuất thấp, tuy nhiên có tốc độ truyền dữ liệu thấp, tối đa 19.2 kbps.
- Giới thiệu lần đầu vào những năm 2000 bởi sự kết hợp của 5 nhà sản xuất ô tô lớn là BMW, Volkswagen Group, Audi, Volvo Cars, Mercedes-Benz (Trong một số tài liệu khác mình tham khảo thì lại nói đến một số nhà sản xuất ô tô khác). Mục đích là để thay thế CAN trong một số mục đích cụ thể nhằm giảm chi phí sản xuất.
- Đặc điểm của mạng LIN là loại mạng “chủ – tớ” (Master – Slave), tức là sẽ có 1 ECU ”chủ” điều khiển quá trình liên lạc tới các ECU “tớ” và các ECU “tớ” không thể liên lạc với nhau. Mạng LIN sử dụng 1 dây điện để truyền tín hiệu với điện áp là khoảng 12V.
- Ứng dụng của mạng LIN thường áp dụng cho hệ thống nhỏ (mang tính local) như ảnh bên dưới:
Mạng CAN (Controller Area Network)
- Đặt điểm nổi trội nhất khi nhắc đến CAN đó là sự phổ biến và được áp dụng bởi tất cả các hãng sản xuất xe. CAN không quá phức tạp và có tốc độ truyền dữ liệu tương đối cao nằm trong khoảng từ 125 kbps đến 1 Mbps. Với CAN-FD (CAN Flexible Data-Rate) có thể lên tới 5 Mbps.
- Giới thiệu lần đầu sớm nhất trong tất cả các loại mạng giao tiếp từ những năm 1986 bởi công ty Robert Bosch GmbH sau khoảng 3 năm nghiên cứu và được áp dụng lần đầu trên xe Mercedes-Benz năm 1991.
- Đặc điểm của mạng CAN là loại mạng “ngang hàng”, tức tất cả các ECU trên cùng 1 mạng CAN đều có quyền như nhau trong việc truyền và nhận dữ liệu. Tuy nhiên trong trường hợp có nhiều ECU cùng gửi dữ liệu thì thứ tự ưu tiên sẽ dựa trên mức độ ưu tiên của dữ liệu, thông tin có độ ưu tiên cao hơn sẽ được truyền đi trước. Mạng CAN sử dụng cặp dây điện được xoắn lại với nhau để truyền tín hiệu với điện áp khoảng dưới 5V. Mạng CAN có 2 điện trở giá trị khoảng 120 Ohm lắp 2 đầu của cặp dây xoắn nhằm làm tăng tính ổn định khi truyền dữ liệu. Đồng thời cặp điện trợ này cũng giúp quá trình chẩn đoán hư hỏng mạng CAN dễ dàng hơn.
- Ứng dụng của mạng CAN rất rộng, cho hầu hết các hệ thống trên xe.
Mạng MOST (Media Oriented Systems Transport)
Hy vọng bài viết cung cấp cho bạn một cái nhìn tổng quan về các loại mạng giao tiếp trên ô tô. Hãy chia sẻ những kiến thức hoặc câu hỏi của bạn về mạng giao tiếp trong phần comment bên dưới nhé,
- Đặt điểm nổi trội nhất của mạng MOST là tốc độ đường truyền cao trong khoảng từ 25 Mbps đến 150 Mbps, tuy nhiên lại có chi phí sản xuất cao. Chính chữ Media trong tên của mạng MOST cũng nói lên một phận ứng dụng của mạng giao tiếp này, khi được ứng dụng cho hệ thống thông tin giải trí trên xe.
- Giới thiệu lần đầu vào khoảng đầu những năm 2000 bởi liên minh MOST và hiện tại mạng giao tiếp MOST đang được áp dụng bởi hầu hết các hãng sản xuất xe trên thế giới trong việc truyền thông tin, dữ liệu của hệ thống thông tin giải trí trên xe.
- Trên ô tô, mạng MOST thường được thiết kế theo kiến trúc vòng tròn, tức là các ECU trên mạng MOST sẽ được nối với nhau thành 1 vòng tròn khép kín mà ECU đầu tiên sẽ là master (thường là bộ điều khiển màn hình giải trí trung tâm), các ECU còn lại vừa nhận tín hiệu và có vai trò chuyển tiếp tới ECU tiếp theo trong vòng tròn. Mạng MOST được phân thành 3 loại khác nhau tùy kích thước của gói bản tin truyền là MOST 25, MOST 50 và MOST 150. Tín hiệu có thể được truyền qua sợi cáp quang (với MOST 25 và 150) hoặc dây điện thông thường (MOST 50 và 150). Tuy nhiên phổ biến nhất trên xe sẽ là dây điện thông thường, bao gồm 4 dây điện được bọc chống nhiễu.
- Ứng dụng của mạng MOST khá hẹp, thường chủ yếu sử dụng cho hệ thống thông tin giải trí để truyền dữ liệu âm thanh, hình ảnh hoặc video như đã nói ở trên. MOST là mạng có giá thành tối ưu nhất so với tốc độ truyền dữ liệu để đảm bảo yêu cầu cho các hệ thống thông tin giải trí.
Mạng Ethernet
- Mạng Ethernet được đề cập ở đây là một biến thể đặc biệt của mạng Ethernet thường được nhắc đến trên máy tính tuy nhiên được tối ưu để ứng dụng trên ô tô. Đặc điểm nổi trội nhất của mạng Ethernet là tốc độ đường truyền rất cao, vượt trội hơn hẳn so với các loại mạng giao tiếp khác trên ô tô. Tốc độ đường truyền có thể từ 100 Mbps cho đến 10 Gbps tùy thuộc vào cấu hình được sử dụng. Thậm trí tốc độ 25, 50, 100 Gbps của mạng Ethernet đang được phát triển và thử nghiệm từ khoảng 2020. Đồng thời mạng Ethernet có tính ổn định và tin cậy cao hơn, cho phép dễ dàng hơn ứng dụng với tất cả các hệ thống trên xe tạo ra một mạng giao tiếp trên xe (In-vehicle network).
- Tiêu chuẩn mạng Ethernet được nghiên cứu và giới thiệu lần đầu vào khoảng những năm từ 2004 đến 2010 bởi BMW kết hợp với OPEN Alliance (*). Sau đó được giới thiệu lần đầu vào năm 2014 bởi BMW trên dòng xe 7-series, sử dụng cho Surround View System (SVS). Tại Việt Nam, cũng đã có nhiều dòng xe hạng sang sử dụng mạng Ethernet cho các hệ thống thông tin giải trí và hỗ trợ người lái. Điển hình với một hãng xe của Việt Nam, mạng Ethernet đang được sử dụng trên mẫu xe VF8 và VF9 cho hệ thống ADAS. Hoàn toàn không sai khi nói sự ra đời của mạng Ethernet là kết quả về nhu cầu truyền tải lượng dữ liệu lớn trên ô tô khi các hệ thống ADAS, kết nối thông minh dần được phát triển và hoàn thiện hơn.
- Mạng Ethernet là loại mạng kết nối Point-to-Point (Điểm-đến-Điểm), tức là 2 ECUs trên 2 đầu của 1 đường mạng Ethernet sẽ giao tiếp trực tiếp với nhau. Dựa trên kết nối cơ bản là Point-to-Point, mạng Ethernet trên ô tô thường được cấu hình thành mạng hình sao (Star topology) là phổ biến nhất với ưu điểm là đơn giản và dễ dàng trong việc mở rộng kết nối nếu cần. Hoặc Ethernet mạng vòng tròn (Ring topology) được sử dụng ít hơn trên hệ thống đòi hỏi tính ổn định và an toàn cao hơn như các hệ thống cho xe tự hành, hệ thống truyền động, khung gầm. Tuy nhiên mạng Ethernet vòng tròn có kết cấu phức tạp hơn, chi phí cao hơn so với hình sao. Mạng Ethernet chủ yếu sử dụng 4 cặp dây điện thông thường bằng đồng được xoắn với nhau và bọc chống nhiễu để truyền tín hiệu. Ngoài ra công nghệ mới chỉ sử dụng 1 cặp dây thay vì 4 dây như của mạng CAN cũng đang được phát triển, gọi là Single Pair Ethernet (SPE).
- Ứng dụng của mạng Ethernet trên ô tô rất rộng nhờ có tốc độ truyền dữ liệu cao, bao gồm tất cả các hệ thống trên xe và các tính năng kết nối thông minh trên các xe hiện đại ngày nay. Có thể kể đến như:
- Hệ thống thông tin giải trí: truyền hình ảnh, video, âm thanh hoặc điều hướng, mô phỏng giao thông…
- Hệ thống hỗ trợ người lái nâng cao ADAS: dữ liệu từ các cảm biến, camera, radar của hệ thống ADAS
- Hệ thống truyền động hoặc khung gầm
- Hệ thống điều khiển điện thân xe
- Các hệ thống xe kết nối thông minh khác: cập nhật phần mềm từ xa, chẩn đoán lỗi từ xa, xe kết nối vạn vật (V2X – Vehicle-to-Everthing), xe tự hành…
(*) OPEN Alliance là một tổ chức phi lợi nhuận bao gồm các nhà sản xuất ô tô và công nghệ kết hợp cùng với nhau để nghiên cứu và phát triển mạng Ethernet trên ô tô.
Mạng FlexRay
- Mạng FlexRay không thực sự phổ biến trên ô tô nên có thể không phải ai cũng biết đến mạng này. Đặc điểm nổi trội nhất của mạng FlexRay là tốc độ cao và tính ổn định, hoặc động tốt ngay cả những trường hợp có lỗi xảy ra trên hệ thống. Tốc độ truyền dữ liệu của mạng FlexRay có thể lên tới 10 Mbps, cao hơn gấp 10 lần so với mạng CAN thông thông thường và gấp 2 lần so với mạng CAN FD.
- FlexRay được giới thiệu lần đầu vào khoảng năm 2004 và được BMW ứng dụng lần đầu trên dòng xe X5 vào năm 2008 cho hệ thống khung gầm. Ngày nay, mạng FlexRay được sử dụng trên rất nhiều dòng xe khác nhau như BMW, Porsche, Audi, Mercedes-Benz. Tuy nhiên đa phần là các dòng xe hạng sang với yêu cầu về hiệu năng hoạt động cao.
- Mạng FlexRay hỗ trợ nhiều cấu hình khác nhau, trong đó phổ biến nhất là dạng bus tương tự như của mạng CAN với ưu điểm là đơn giản, và cũng sẽ sử dụng điện trở ở 2 đầu cuối của mạng tương tự như mạng CAN với điện trở từ 80 đến 110 Ohm. Ngoài ra FlexRay cũng có thể được cấu hình theo mạng hình sao hoặc dạng kết hợp (hình sao + bus) tùy thuộc vào yêu cầu và hệ thống được ứng dụng trên xe. Mạng FlexRay sử dụng cặp dây điện xoắn thông thường để truyền tín hiệu tương tự như mạng CAN, có thể được bọc chống nhiễu hoặc không tùy thuộc vào yêu cầu của hệ thống được ứng dụng, tuy nhiên thông thường là không được bọc chống nhiễu. FlexRay hỗ trợ cả đường truyền đơn (Single channel) và đường truyền đôi (Dual channel) tùy theo yêu cầu của hệ thống và mục đích của nhà sản xuất. Cấu hình dual channel giúp tăng sự ổn định của hệ thống ngay cả khi có một đường truyền bị lỗi hoặc bị đứt dây, đồng thời cũng tăng tốc độ đường truyền và giúp giảm hiện tượng nhiễn tín hiệu mà không cần phải sử dụng dây bọc chống nhiễu đắt tiền. Ví dụ như với hệ thống lái điện tử (Steering-by-wire), để đảm bảo tính hoạt động ổn định của hệ thống thì FlexRay sử dụng 2 đường truyền độc lập, khi có 1 đường truyền bị đứt hoặc có vấn đề thì đường truyền còn lại vẫn có thể hoạt động bình thường.
- FlexRay chủ yếu được áp dụng cho các hệ thống liên quan đến an toàn trên các dòng xe hạng sang như: Hệ thống lái, hệ thống điều khiển phanh điện tử, hệ thống treo…. Lý do là bởi FlexRay cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao và có tính ổn định rất tốt, tức khả năng khắc phục các lỗi có thể xảy ra để hệ thống vẫn có thể hoạt động bình thường. Từ đó đáp ứng được yêu cầu hoạt động với hiệu năng cao và ổn định của hệ thống, nên cao trải nghiệm cho người lái trên các mẫu xe hạng sang. Ngoài các hệ thống trên, FlexRay còn có thể được ứng dụng trên các hệ thống ADAS, hệ thống truyền động.
Một số mạng giao tiếp khác
- LVDS (*): viết tắt của từ Low-Voltage Differential Signaling, là một loại mạng giao tiếp tốc độ cao khoảng từ hơn 400 Mbps đến hơn 1 Gpbs. LVDS có thể được áp dụng cho việc truyền dữ liệu cho nhiều hệ thống khác nhau trên xe như hệ thống truyền động, khu gầm, thông tin giải trí đến hệ thống hỗ trợ người lái… Tuy nhiên LVDS không được sử dụng phổ biến, bởi nhiều lý do có thể kể đến như phi phí đắt đỏ, phức tạp trong việc tích hợp….
- GSML & FPD-Link & APIX: lần lượt viết tắt của Gigabit Multimedia Serial Link & Flat Panel Display Link & Automotive Pixel Link. Cả 3 đều là mạng giao tiếp tốc độ cao với tốc độ từ 1 đến 6 Gbps và thường được ứng dụng để truyền dữ liệu hình ảnh hoặc âm thanh trên xe khi có thể truyền dữ liệu trong khoảng cách lên tới 15m. Trong quá trình sửa chữa, bạn có thể đã nhìn thấy những sợi dây đồng trục tròn và được bọc chống nhiễu, nếu vậy đó là dây truyền tín hiệu của một trong các loại mạng này. Về mức độ phổ biến thì FPD-Link là phổ biết nhất, khi thường được sử dụng để truyền dữ liệu hình ảnh từ camera sau hoặc camera xung quanh xe để hiển thị lên màn hình. Hoặc đôi khi cũng có thể sử dụng để truyền dữ liệu hình ảnh từ ECU xử lý dữ liệu lên màn hình hiển thị trung tâm.
(*) Nếu bạn nào có hay tìm hiểu về laptop thì sẽ thấy LVDS khá quen thuộc vì nó được sử dụng để truyền hình dữ liệu ảnh từ main của laptop lên màn hình.
Cheers,
Bài viết có tham khảo thông tin từ autopi.io, marvell.com, microcontrollertips.com, bài giảng về mạng giao tiếp kênh Youtube Skill Lync, Texas Instruments
