CAN BUS TECHNOLOGY AND ELECTRIC VEHICLES
เทคโนโลยี CAN Bus กับยานยนต์ไฟฟ้า
CAN (Control Area Network) Bus เป็นบัสเครือข่ายควบคุมมาตรฐานของยานพาหนะ ที่ออกแบบมาเพื่อให้ไมโครคอนโทรลเลอร์และอุปกรณ์สื่อสารกันภายในรถยนต์โดยไม่ต้องใช้คอมพิวเตอร์โฮสต์ (การใช้คอมพิวเตอร์หรือเซิฟร์เวอร์เชื่อมต่อระบบเครือข่าย) CAN Bus เป็นโปรโตคอลที่ใช้ข้อความซึ่งออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับการใช้งานยานยนต์ แต่ปัจจุบันยังนำไปใช้งานในด้านอื่นๆ เช่น การบินและอวกาศ การเดินเรือ ระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม และอุปกรณ์ทางการแพทย์ ซึ่ง CAN Bus มีประโยชน์อย่างไร มีความสำคัญต่อนักออกแบบยานยนต์ไฟฟ้าอย่างไร และสามารถวัดและวิเคราะห์สัญญาณได้อย่างไร ติดตามได้ในบทความนี้
The CAN (Control Area Network) Bus is a robust vehicle bus standard designed to allow microcontrollers and devices to communicate within the vehicle without a host computer (done by using computer or networked server.) The CAN Bus is a text-based protocol specifically designed for automotive applications, but today, it is also used in other fields such as aerospace, maritime, industrial automation, Which you can find out its benefits how it is important to electric vehicle designers, and how to measure and analyze the signal in this article.
INTRODUCTION
บทนำ
วงจรอิเลกทรอนิกส์สำหรับรถยนต์สมัยใหม่ ในแต่ละระบบเช่น ระบบเบรค ระบบขับเคลื่อน จะมีชุดควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ (ECU) แยกจากกัน ในระบบ CAN Bus ของรถยนต์สมัยใหม่อาจมี ECU ได้มากถึง 70 ตัว เช่น ชุดควบคุมเครื่องยนต์ ชุดควบคุมถุงลมนิรภัย ระบบชาร์จแบตเตอรี่ ฯลฯ ดังรูปที่ 1 ข้อมูลของแต่ละ ECU ยังต้องแชร์กับ ECU ส่วนอื่นๆ ของระบบ CAN Bus ข้อมูลที่รับรู้โดยส่วนหนึ่ง สามารถแบ่งปันกับอีกส่วนหนึ่ง ระบบ CAN Bus ช่วยให้ ECU แต่ละตัวสื่อสารกับ ECU อื่นๆ ได้สะดวกทั้งหมดโดยไม่ต้องเดินสายไฟให้ซับซ้อน CAN Bus ใช้สายไฟเพียงแค่สองเส้น (CAN Bus Low, CAN Bus High) ECU แต่ละตัวสามารถจัดเตรียมและถ่ายทอดข้อมูลได้ง่าย (เช่น ข้อมูลเซ็นเซอร์) ผ่าน CAN Bus ข้อมูลที่ส่งออกจะได้รับการยอมรับโดย ECU อื่นๆ ทั้งหมดบนเครือข่าย CAN และ ECU แต่ละตัวจะสามารถตรวจสอบข้อมูลและตัดสินใจว่าจะรับหรือเพิกเฉยดังรูปที่ 2
In each system, Electronic circuit for modern vehicles such as the braking system and the drive system, has a separate electronic control unit (ECU.) CAN Bus systems of modern cars may have ECU up to 70 units, for example., engine controller, airbag controller, battery charging system, etc., as shown in Figure 1. The CAN Bus system allows each ECU to conveniently communicate with other ECUs without complicated wiring. The CAN Bus uses only two wires (CAN Bus Low, CAN Bus High.) Each ECU can easily provide and transmit data (e.g., sensor data) via the CAN Bus. The output data is recognized by the other ECUs on the CAN network and each ECU can check the data and decide whether to accept or ignore it as shown in Figure 2.
เทคโนโลยี CAN Bus มีบทบาทสำคัญในการประสานงานระบบย่อยอัจฉริยะหลายสิบระบบในรถยนต์และรถบรรทุกที่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลในปัจจุบัน แต่จะมีความสำคัญมากยิ่งขึ้นต่อความสำเร็จของรถยนต์ไฟฟ้าในอนาคต (EV), ปลั๊กอิน ไฮบริด EVs (PHEV) และระบบขนส่งที่ประหยัดพลังงานอื่นๆ ข้อกำหนดการใช้งานที่กำหนดโดยแบตเตอรี่ของยานพาหนะระบบชาร์จและระบบขับเคลื่อนไฟฟ้า ทำให้เกิดความท้าทายใหม่สำหรับเทคโนโลยี CAN Bus สำหรับยานยนต์ไฟฟ้า (รูปที่ 1) นักออกแบบและนักวิจัยพัฒนา จะมีสิ่งท้าทายใหม่ๆ รวมถึงผลิตภัณฑ์ CAN Bus ใหม่ๆ ที่จะเกิดขึ้นเพื่อตอบสนองการพัฒนาด้านยานยนต์ไฟฟ้า
CAN Bus เป็นหนึ่งในห้าโปรโตคอลที่ใช้ใน มาตรฐานการวินิจฉัยรถยนต์ OBD-II มาตรฐาน OBD-II บังคับใช้สำหรับรถยนต์และรถบรรทุกขนาดเล็กทุกคันที่จำหน่ายในสหรัฐอเมริกาตั้งแต่ปี 2539 และมาตรฐาน EOBD บังคับใช้สำหรับรถยนต์เบนซินทุกคันที่จำหน่ายในสหภาพยุโรปตั้งแต่ปี 2544 และรถยนต์ดีเซลทั้งหมดตั้งแต่ปี 2547
CAN Bus technology plays an important role in coordinating dozens of intelligent subsystems in today’s ICE cars and trucks. However, it will be even more critical to the success of future electric vehicles (EVs), plug-in hybrid EVs (PHEVS) and other energy-efficient transportation systems. The terms of use imposed by vehicle batteries, charging systems and electric drive system pose new challenges for CAN Bus technology for electric vehicles (Figure 1.) R&D will have new challenges including new CAN Bus products that will meet the needs in development of electric vehicles.
The CAN Bus is one of the five protocols used in OBD-II, Car Diagnostics Standard. The standard has been in force for all cars and light trucks sold in the United States since 1996. Furthermore, the EOBD standard is mandatory for all gasoline vehicles sold in the EU since 2001 and all diesel vehicles since 2004.
CAN BUS STANDARD
มาตรฐาน CAN Bus สำหรับ CAN Bus ความเร็วสูง เป็นไปตามมาตรฐาน ISO 11898-1 ที่กล่าวถึงเลเยอร์การเชื่อมโยงข้อมูล และ ISO 11898-2 ที่กล่าวถึงเลเยอร์ทางกายภาพ โดยมีอัตราการรับส่งข้อมูล: CAN Bus เชื่อมต่อผ่านบัสสองสายที่มีอัตราการส่งข้อมูลสูงถึง 1 Mbit/s (Classical CAN) หรือ 5 Mbit/s (CAN FD) ความยาวสายเคเบิล: ความยาวสายเคเบิล CAN Bus สูงสุดควรอยู่ระหว่าง 40 เมตร (1 Mbit/s) ถึง 500 เมตร (125 kbit/s) ความเร็วตำจะเน้นถึงความแม่นยำของของข้อมูลเป็นหลัก การสิ้นสุด: การสื่อสารของ CAN Bus จะต้องถูกยกเลิกอย่างถูกต้องโดยใช้ตัวต้านทาน CAN Bus ขนาด 120 โอห์มที่ปลายแต่ละด้านของ CAN Bus
As for the high-speed CAN Bus, it is compliant with the ISO 11898-1 describing the data link layer and ISO 11898-2 describing the physical layer with: Baud rate: the CAN Bus is connected via a two-wire bus with a baud rate of up to 1 Mbit/s (Classical CAN) or 5 Mbit/s (CAN FD.) Cable length: the maximum CAN Bus cable length should be between 40 meters (1 Mbit/s) and 500 meters (125 kbit/s) Low speed emphasizes data accuracy. Termination: the CAN Bus communication must be properly terminated using a 120-ohm CAN Bus resistor at each end of the CAN Bus.
MEASURING CAN BUS SIGNALS IN PRACTICE
การวัดสัญญาณ CAN Bus ในทางปฏิบัติ
ในทางปฏิบัติ นักวิจัยพัฒนาสามารถใช้ เครื่องมือวัด Data Analyzer ร่วมกับ โพรบวัดกระแสแบบไร้หน้าสัมผัส (contactless) สำหรับวัดทั้งสัญญาณอนาล็อก จากเซ็นเซอร์ต่างๆ และสัญญาณดิจิตัล จาก ECU เพื่อวิเคราะห์รูปแบบสัญญาณ ว่าเป็นไปตามการออกแบบและโปรโตคอลการสื่อสารหรือไม่ ในการวัดสัญญาณ เพื่อการออกแบบจะทำชุด Simulation เพื่อทำการทดลองการทำงานก่อน (Hardware in the Loop: HIL) ก่อนที่จะสร้างต้นแบบจริงเพื่อทำการทดลองจริง ตัวอย่างการใช้งาน Data Analyzer HIOKI และ โพรบวัดกระแสแบบไร้หน้า สัมผัส แสดงดังรูปที่ 3 การใช้เครื่องมือวัด Data Analyzer ร่วมกับ โพรบวัดกระแส แบบไร้หน้าสัมผัส มีข้อดีคือ สามารถวัดสัญญาณได้หลายจุด ด้วยความเร็วสูง มีการ แบ่งแยกสัญญาณแต่ละแชลแนล เลือกใช้เซ็นเซอร์ได้หลายแบบตามคุณลักษณะ เซ็นเซอร์ และสามารถวัดสัญญาณได้หลากหลาย เช่น แรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า อุณหภูมิ ค่า Strain ความถี่ อัตราเร่ง อุณหภูมิตามจุดต่างๆ ฯลฯ โดยเก็บข้อมูลไว้ ที่เครื่อง Data Analyzer เพื่อนำมาวิเคราะห์การทำงานภายหลัง
In practice, the development researchers can use the data analyzer with a contactless current probe for measuring both analog signals from various sensors and a digital signal from the ECU to analyze the signal pattern whether it conforms to the design and communication protocol or not. To measure the signal for design, a series of simulations are created to perform a functional trial by using a Hardware in the Loop: HIL simulation before a real prototype is created for the actual experimentation. Data Analyzer HIOKI and contactless current probe are used as an example shown in Figure 3. The advantages of using the data analyzer with a contactless current probe are that it is able to measure signals at multiple points at high speed Each channel is separated, so it is able to choose to use a variety of sensors according to their characteristics and being able to measure a variety of signals such as voltage, current, temperature, strain, frequency, acceleration, temperature at various points, etc. by storing data in the data analyzer to use for later analysis of the work.
จากรูปที่ 3 มีการวัดสัญญาณ 4 จุด คือ สัญญาณมุมล้อการเลี้ยว สัญญาณ ความเร็วเชิงมุมพวงมาลัย สัญญาณความดันเบรค และสัญญาณการเปิดปิดเบรคมือ รูปที่ 4 การวัดสัญญาณด้วยโพรบแบบไร้สัมผัส จะทำให้สามารถวัดสัญญาณได้ สะดวก รวดเร็ว ลดความผิดพลาดในการวัด โพรบบางรุ่นยังสามารถวัดสัญญาณ CAN FD ซึ่งเป็นโปรโตคอลแบบใหม่สำหรับการสื่อสารความเร็วสูง ได้
In Figure 3, four signals are measured including wheel turning angle signal, steering angular velocity signal, brake pressure signal and Handbrake on-off signal. Shown in Figure 4, Signal measurement with a contactless probe makes it possible to measure the signal easily and quickly and reduces the measurement error. Some probes can also measure CAN FD signals, which are new protocols for high-speed communications.
SUMMARY
สรุป
CAN Bus เป็นบัสมาตรฐานของยานพาหนะที่ออกแบบมา เพื่อให้ไมโครคอนโทรลเลอร์และอุปกรณ์ สื่อสารกันภายในรถยนต์ โดยใช้สัญญาณสองสาย คือ CAN Bus Low และ CAN Bus High โดยที่ ECU ของแต่ละส่วน จะรับสัญญาณและแปรความหมายโดยใช้สายสัญญาณร่วมกัน ทำให้สะดวก ระบบมีความเสถียร ทำงานด้วยความเร็วสูง ต้นทุนต่ำได้ ในงานวิจัยซ่อมบำรุงระดับสูง จำเป็นต้อง ใช้เครื่องมือพิเศษ เพื่อวิเคราะห์สัญญาณของ ECU ต่างๆ โดยเฉพาะ Data Analyzer และ โพรบวัด กระแสสำหรับ CAN แบบไร้หน้าสัมผัส และเก็บข้อมูลเพื่อใช้วิเคราะห์ความเชื่อถือได้ (reliability) ของวงจรไฟฟ้าที่ออกแบบในแต่ละฟังก์ชันการทำงานต่อไป
The CAN Bus is a robust vehicle bus standard designed to allow microcontrollers and devices to communicate within the vehicle by using two signal cables Bus Low and CAN Bus High where each part of the ECU receives signals and interprets the signal using a common signal cable, making it convenient and makes the system is stable. It can also operate at high speed at low cost. In research, high-end maintenance requires specialized tools to analyze various ECU signals, especially the data analyzer and current contactless probes for CAN and continue collecting data for reliability analysis of the electrical circuit designed for each function.
REFERENCE
อ้างอิง
(accessed May 21, 2021)
(เข้าถึงวันที่ 21 พฤษภาคม 2564)
https://www.digikey.com/en/ articles/can-bus-taking-a-larger-role- in-evs-and-phevs
https://www.csselectronics.com/ screen/page/simple-intro-to-can- bus/language/en
http://innovapack.co. th/?brands=hioki
