(A. In-vehicle communication networks, cg. mạng giao tiếp trên ô tô, vt. IVCN)

Mạng trao đổi thông tin giữa các thiết bị điều khiển điện tử ECU (Electronic Control Units) của ô tô. Có nhiều loại mạng truyền thông để đáp ứng các yêu cầu trao đổi thông tin khác nhau trên ô tô, hiệp hội kỹ sư ô tô (SAE: Society for Automotive Engineers) đã phân loại các giao thức truyền thông trên xe ô tô dựa trên tốc độ truyền dữ liệu và các chức năng của mạng như sau:

- Lớp A gồm các mạng như LIN (Local Interconnect Network) và TTP/A (Time-Triggered Protocol /A) có tốc độ dữ liệu nhỏ hơn 10 kb/s.

- Lớp B gồm các mạng như J1850 và mạng CAN (Controller Area Network) tốc độ thấp. Mạng lớp B chuyên dùng để hỗ trợ trao đổi giữa các ECU nhằm giảm số lượng các cảm biến bằng cách chia sẻ thông tin. Tốc độ hoạt động của của mạng từ 10 đến 125 kb/s.

- Lớp C (tốc độ 125 kb/s đến 1Mb/s) và lớp D (tốc độ trên 1 Mb/s) là các mạng tốc độ cao. Mạng lớp C như mạng CAN tốc độ cao được dùng cho hệ thống truyền động và khung gầm. Mạng lớp D dùng cho dữ liệu truyền thông đa phương tiện MOST (Media-oriented system transport) và các ứng dụng x-by-wire cần chuẩn đoán lỗi (TTP/C và các mạng FlexRay)

Có hai mô hình chính để thông tin trong hệ thống xe ô tô là kích hoạt thời gian và kích hoạt sự kiện. Trong mô hình kích hoạt theo sự kiện, các bản tin được truyền để báo hiệu các sự kiện quan trọng. Trong mô hình kích hoạt thời gian, các khung được truyền tại các thời điểm xác định. Mỗi khung được ấn định truyền dẫn trong một khoảng thời gian xác định được gọi là khe thời gian, hay được gọi là đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA: Time-division multiple access).

Các mạng điển hình nhất và các đặc điểm cũng như khả năng áp dụng của chúng sẽ được trình bày dưới đây:

1) LIN là một IVCN có giá thành và tốc độ thấp (20kb/s) dùng BUS nối tiếp, chủ yếu được dùng cho các chức năng thân xe hoặc tiện ích. LIN có cơ chế hoạt động kích hoạt theo thời gian và chủ/tớ. Nút chủ cung cấp cơ chế để LIN có khả năng dự trữ băng thông, tiết kiệm băng thông và tiết kiệm năng lượng.

2) CAN là một kiểu giao thức kết nối phổ biến nhất cho mạng truyền thông trên ô tô hiện nay có ưu điểm và thời gian trễ thông tin ngắn. Tốc độ của CAN có thể lên đến 1Mb/s, dữ liệu được chia thành các khung và có thể được truyền định kỳ, không định kỳ hoặc theo yêu cầu. Mỗi nút mạng CAN sẽ giám sát BUS và khi phát hiện BUS rỗi nó sẽ bắt đầu truyền dẫn bằng trường định danh trong bản tin. Các nút mạng CAN cũng có khả năng bắt đầu truyền tại cùng một thời điểm nhưng chỉ có một nút được tiếp tục truyền bản tin. Mức ưu tiên của bản tin được thiết lập theo các thuật toán cố định hoặc linh động, nó sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định hiệu năng thông tin.

Phiên bản CAN kích hoạt theo thời gian TTCAN (Time-Trigger CAN) dựa trên tiêu chuẩn CAN nhưng có khả năng vô hiệu hóa các khung tự động truyền lại khi bị lỗi và cung cấp thêm một lớp mức cao trên mức vật lý và mức đường truyền dữ liệu của CAN để xác định thời điểm bít đầu tiên của một khung được thu hay phát. TTCAN có cùng tiêu chuẩn và định dạng bản tin như CAN nhưng nó có một nút chủ điều khiển đồng bộ thời gian giữa các nút bằng cách gửi đi bản tin tham chiếu định kỳ nên có các ưu điểm của mô hình kích hoạt thời gian. Tuy nhiên hoạt động phát hiện và khoanh vùng lỗi của TTCAN giống như CAN, không có cơ chế bảo vệ bus và trao đổi thông tin trạng thái giữa các nút.

3) FlexRay là một giao thức mạng truyền thông trên ô tô tốc độ cao (đến 10 Mb/s) dựa trên công nghệ TDMA và FTDMA (đa truy nhập phân chia theo tần số và thời gian), kết hợp cả mô hình kích hoạt thời gian và sự kiện. Thông tin trao đổi trong mạng được thực hiện theo một kế hoạch định sẵn gọi là một chu kỳ cơ sở, mỗi chu kỳ này gồm 2 cửa sổ: tĩnh (kích hoạt thời gian TDMA) và động (kích hoạt sự kiện FDMA). FlexRay có chế độ bảo vệ BUS, các tiến trình đồng bộ xung nhịp, mã kiểm tra lỗi CRC nên đáng tin cậy cho các ứng dụng yêu cầu độ an toàn cao. FlexRay là một lựa chọn tốt cho các hệ thống yêu cầu độ an toàn có khả năng cao sẽ trở thành tiêu chuẩn cho các ứng dụng tốc độ cao như x-by-wire trong tương lai.

4) MOST cung cấp các dịch vụ đa phương tiện và thông in giải trí trên ô tô như âm thanh, hình ảnh, dữ liệu và các thông tin điều khiển. Mạng MOST có hiệu quả kinh kế, là mạng có kiến trúc hiệu quả trong việc kết nối thông tin đa phương tiện và các thiết bị thông tin giải trí như định vị GPS, màn hình hiển thị, âm thanh và các loa… với tốc độ 25 Mb/s. MOST là một mạng đồng bộ và dùng truyền dẫn dữ liệu điểm-điểm, hỗ trợ cả lưu lượng đồng bộ và dị bộ. MOST dùng cơ chế chủ/tớ để đồng bộ các nút mạng theo thời gian và thiết lập các kết nối giữa bên thu và bên phát. Lớp vật lý của MOST là cáp quang với nhiều ưu điểm vượt trội so với cáp đồng như tính chóng nhiễu điện từ và tốc độ dữ liệu cao.

Để đáp ứng các yêu cầu từng chức năng hệ thống, IVCN sẽ sử dụng các loại giao thức mạng khác nhau. Để đảm bảo độ an toàn, 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 đều phải giao tiếp với nhau qua đường truyền có độ tin cậy cao như CAN hoặc FlexRay. Đối với các hệ thống thân xe như điều khiển gạt mưa, nâng hạ kính, điều khiển khóa cửa, điều khiển đèn, cảm biến lùi…không yêu cầu tốc độ và dung lượng cao thì sử dụng LIN là phù hợp.

Tài liệu tham khảo

Allan W.M. Bonnick, Automotive Computer Controlled Systems, Butterworth-Heinemann, 2000.

Keskin U., In-vehicle communication networks: a literature survey. (Computer science reports; Vol. 0910), Technische Universiteit Eindhoven. 2009

N. Navet and F. Simonot-Lion, In-vehicle communication networks-a historical perspective and review, University of Luxembourg, Tech. Rep., 2013.

G. R. Andrei and S. V. Alexandru, On the communication network inside vehicles, 2015 7th International Conference on Electronics, Computers and Artificial Intelligence (ECAI), Bucharest, 2015, pp. WW-13-WW-18.