Nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ điều khiển đèn pha cốt trên ô tô sử dụng mạng can

iều khiển đèn pha cốt trên ô tô sử dụng mạng CAN kết hợp ba bộ điều khiển, một bộ điều khiển chính (ECU chủ) và hai bộ điều khiển phụ (ECU 1, ECU 2). Dựa trên phần mềm lập trình CodeVisionAVR để lập trình C cho vi điều khiển Atmega8, phần mềm thiết kế mạch Altium Designer (mạch in điều khiển đèn pha cốt sử dụng mạng CAN), mạch sử dụng một IC MCP2551 có chức năng chuyển đổi tín hiệu từ UART sang CAN. Kết quả đã có được một bộ điều khiển đèn pha cốt hoàn chỉnh điều khiển bằng mạng CAN, có thể lắp đặt trên ô tô chưa có mạng CAN. Từ khóa: Đèn pha, mạng CAN, mạch điều khiển. 1. Đặt vấn đề Hiện nay đã có rất nhiều nhà sản xuất linh kiện điện tử bán dẫn sản xuất loại bộ điều khiển CAN độc lập, hoặc thực hiện chúng trong những thiết kế chip đơn. Mạng CAN đã được nghiên cứu thị trường cho công nghệ bus trường mới dùng trong xe ô tô mà có thể cho phép đưa thêm các chức năng vào hệ thống thông tin giữa các bộ điều khiển điện tử trong xe hơi của hãng Mercedes-Benz. Một bước phát triển thành công của CAN là đã thành lập tổ chức nhóm các nhà sản xuất và người sử dụng quốc tế, gọi là Hội CAN tự động hóa (CiA = CAN in Automatic - 1992).[1] CAN được sử dụng với việc truyền dữ liệu lớn, đáp ứng thời gian thực và trong môi trường khác nhau và truyền tốc độ cao rất ổn định. Do đó mạng CAN được sử dụng trong ngành công nghiệp xe hơi. Hệ thống chiếu sáng sử dụng mạng CAN đã dần trở nên thông dụng đối với các nước phát triển, coi trọng vấn đề an toàn giao thông còn đối với Việt Nam ta hiện nay thì chiếu sáng sử dụng mạng CAN vẫn còn khá mới mẻ, chỉ được trang bị trên các xe hạng sang. Vì vậy, Nghiên cứu này nhằm thiết kế mạch điều khiển mạng CAN để lắp đặt trên ô tô thông thường ở Việt Nam. 2. Cơ sở lý thuyết Sử dụng phần mềm lập trình CodeVisionAVR để lập trình C cho vi điều khiển Atmega8, phần mềm thiết kế mạch Altium Designer (mạch in điều khiển đèn pha cốt sử dụng mạng CAN), mạch sử dụng một IC MCP2551 có chức năng chuyển đổi tín hiệu từ UART sang CAN. 2.1. Vi điều khiển Atmega8 [2] Chip ATmega8 dòng AVR mới nhất, có đầy đủ các tính năng của AVR nhưng lại nhỏ gọn (gói PDIP có 28 chân) và low cost. Hình 1. Chip ATmega8 Phần mềm lập trình CodeVision AVR để lập trình C cho vi điều khiển Atmega8 [3] gồm: Lựa chọn chíp AVR và tần số của thạch anh tần số (Hình 2), Khởi tạo cho các cổng IO (Hình 3). Hình 2. Chip AVR và tần số thạch anh ISSN 2354-0575 Journal of Science and Technology24 Khoa học & Công nghệ - Số 20/Tháng 12 - 2018 Hình 3. Thiết lập cổng vào ra Các chân IO của AVR mặc định trạng thái IN, muốn chuyển thành trạng thái OUT để có thể đưa các mức logic ra ta click chuột vào các nút IN (màu trắng) để nó chuyển thành OUT trong các Tab Port. Sau đó chọn File → Generate, Save and Exit. Hình 4. Chuyển trạng thái chân IO từ IN -> OUT Hình 5. Lưu file Sau khi nhớ song 3 file: IO.c – IO.prj – IO.cwp được giao diện cửa sổ code vision để khởi tạo code. Trong đó có đầy đủ code cần thiết cho cấu hình cổng IO để bắt đầu soạn code. Hình 6. Giao diện cửa sổ code vision để khởi tạo code 2.2. IC CAN MCP2551 [4] IC CAN MCP2551 đóng vai trò là một bộ thu nhận tín hiệu và đảm bảo mức điện áp hoạt động của tín hiệu. Hình 7. IC CAN MCP2551 Bảng 1. Thông số của IC CAN MCP2551 Datasheets MCP2551 Development Tools Catalog Tiêu chuẩn 60 Loại Integrated Circuits (ICs) Họ Interface - Drivers, Receivers, Transceivers Kiểu Transceiver Mạng CAN Bộ điều khiển/bộ thu 1/1 Điện áp cung cấp 4.5 V ~ 5.5 V Nhiệt độ hoạt động -40°C ~ 85°C Kích thước 8-DIP (0.300", 7.62mm) Supplier Device Package 8-PDIP Đường truyền trực tiếp CAN Transceivers Tên khác MCP2551IP ISSN 2354-0575 Khoa học & Công nghệ - Số 20/Tháng 12 - 2018 Journal of Science and Technology 25 Mạch sử dụng một IC MCP2551 có chức năng chuyển đổi tín hiệu từ UART sang CAN. Kết nối các chân của IC CAN MCP2551 ở chế độ làm việc. Hình 8. Kết nối hoạt động của IC CAN MCP2551 3. Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển đèn pha cốt sử dụng mạng CAN trên ô tô 3.1. Thiết kế mạch điều khiển đèn pha cốt trên phần mềm Altium Designer Giao diện Altium Designer (Hình 9) gồm các thanh công cụ, thanh menu, thanh trạng thái để thông báo những thông tin như: tọa độ, kích thước, độ dài, Các tab dọc hai bên là công cụ quản lí: project, navbar, libralies, history,.. Chính giữa là màn hình làm việc để thao tác vẽ mạch nguyên lí, mạch in. Hình 9. Giao diện phần mềm Altium Designer [4] Thư viện lựa chọn và tra cứu các linh kiện điện tử khi thiết kế mạch. Hình 10. Thư viện tra cứu linh kiện Mở PCB1.PcbDoc được add ở project tạo ban đầu altium sẽ chuyển sang giao diện vẽ mạch in. Hình 11. Giao diện vẽ mạch Menu Place có phần vẽ mạch in trực quan. Interactive Routing (đi dây bằng tay), Via, Pad (tạo chân linh kiện), Polygon Pour (phủ đồng cho mạch in). Phía dưới là các layer (lớp mạch in) của thiết kế. Một PCB sẽ được quy định ra thành nhiều lớp, mỗi lớp có một tên và màu sắc đặc trưng cho lớp đó ngoài thực tế: Hình 12. Các lớp chọn mạch in + Top layer: đường mạch ở lớp trên cùng. + Bottom layer: đường mạch ở lớp dưới cùng + Top overlay: lớp chứ hiển thị trên cùng của mạch. + Bottom overlay: lớp chữ hiển thị ở mặt dưới của mạch. Sau khi vẽ mạch thì in mạch của ECU chủ (Hình 13) và ECU1, ECU2 (Hình 14). Hình 13. Mạch in ECU chủ trên phần mềm Altium Designer ISSN 2354-0575 Journal of Science and Technology26 Khoa học & Công nghệ - Số 20/Tháng 12 - 2018 Hình 14. Mạch in ECU 1 và ECU 2 vẽ trên phần mềm Altium Designer In trên phim mạch làm bộ điều khiển ECU chủ. Hình 15. Phim mạch bo dây của bộ điều khiển ECU chủ Hình 16. Phim mạch bo dây của bộ điều khiển ECU 1 và ECU 2 Mạch in 3D trên phần mềm Altium Desgner gắn các linh kiện lên mạch và so sánh độ chính xác với mạch hoàn chỉnh. Hình 17. Mạch in 3D ECU chủ Hình 18. Mạch in 3D ECU 1 và ECU 2 3.2. Lắp ráp linh kiện điện tử trên mạch in Phim mạch đã thiết kế được in công nghiệp mạch ECU chủ (Hình 19) và ECU 1, ECU 2 (Hình 20). Hình 19. Mạch in công nghiệp ECU chủ Hình 20. Mạch in công nghiệp ECU 1, ECU 2 ISSN 2354-0575 Khoa học & Công nghệ - Số 20/Tháng 12 - 2018 Journal of Science and Technology 27 Bố trí linh kiện lên bo mạch (Hình 21), (Hình 22). Khi đèn pha cốt hoạt động nhằm chống nhiễu thông tin trên mạch còn được thiết kế gắn các tụ có tần số cao và thấp để lọc nhiễu khi điều khiển. Hình 21. Mạch ECU chủ khi đã ráp các linh kiện điện tử Hình 22. Mạch ECU 1 và ECU 2 chủ khi đã ráp các linh kiện điện tử Trên cơ sở thiết kế mạch và ráp các linh kiện điện tử trên mạch in điều khiển đèn pha cốt sử dụng mạng CAN đã chế tạo 3 bộ điều khiển của mô hình hệ thống đèn pha cốt ô tô sử dụng mạng CAN gồm: bộ điều khiển chính (ECU chủ) và hai bộ điều khiển phụ (ECU 1, ECU 2) để sử dụng lắp đặt trên hệ thống đèn pha cốt trên mô hình chưa có mạng CAN. Trong đó ECU chủ nhận các tín hiệu đầu vào là tín hiệu điều khiển công tắc đa năng của người lái xe. Tín hiệu đi vào vi xử lý, vi xử lý sẽ xử lí tín hiệu và chuyển ra IC CAN. Từ đó IC CAN xuất hai tín hiệu là CAN H và CAN L, tức là giao tiếp trong mạng CAN với ECU 1 và ECU 2. ECU 1 và ECU 2 sẽ nhận được tín hiệu CAN H, CAN L từ ECU chủ, tín hiệu sẽ đi vào IC CAN của bộ ECU 1 và ECU 2. Tín hiệu CAN được xử lí và đưa vào vi xử lý của ECU. Vi xử lý sẽ tiến hành các thao tác điều khiển bóng đèn và điều khiển trên cơ sở ngắt âm của các bóng pha cốt, các chân dương của hai bóng đèn pha cốt sẽ được nối thẳng vào cực dương của ắc quy 12V. 4. Kết luận Qua ứng dụng CAN, đã thiết kế, chế tạo được bộ điều khiển để sử dụng lắp đặt trên mô hình hệ thống đèn pha cốt ô tô thông thường ở Việt Nam chưa sử dụng mạng CAN thành mô hình hệ thống đèn pha cốt sử dụng mạng CAN. Các bộ điều khiển này đã được ứng dụng lắp đặt trên mô hình hệ thống đèn pha cốt ô tô tại Khoa Cơ khí Động lực - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên với các chế độ hoạt động như hệ thống đèn pha cốt trên xe ô tô hiện đại thiết kế sử dụng mạng CAN. Đây cũng là tiền đề để tiếp tục ứng dụng CAN thiết kế, chế tạo các bộ điều khiển khác sử dụng lắp đặt trên mô hình hệ thống điện thân xe ô tô. Tài liệu tham khảo [1]. Hoàng Minh Sơn, Mạng truyền thông công nghiệp, NXB khoa học và kỹ thuật. [2]. Shop manual AVR1607, Brushless DC Motor (BLDC) Control in Sensor Mode using ATxmega128A1 and ATAVRMC323 of Atmel Group. [3]. Phạm Văn Ất, Kỹ thuật lập trình C cơ sở và nâng cao, NXB Giao thông vận tải. [4]. WWW.microchip.com, datasheet MCP2551, driver CAN bus. RESEARCH AND MANUFACTURE THE AUTOMOTIVE HEADLIGHT CONTROLL CIRCUIT USING CAN COMMUNICATION Abstract: This article presents the results of the research and manufacture of headlights control board for vehicles using CAN network combining three controlers, a main controller (master ECU) and two auxiliary controllers (ECU1, ECU2). On this board, not only using Code Vision AVR programming software to write for Atmega8 microcontroller, but also the printed circuit was designed by the Altium Designer software. In addition, it had a function of signal converter from UART to CAN through one IC MCP2551. The result was a complete headlight control unit which could be installed on vehicles without CAN network. Keywords: headlight, CAN network, control board.