基于CAN總線汽車典型故障檢測方法探究

湯貴庭 魏顯坤

1.重慶工商職業(yè)學(xué)院 重慶市 401520 2.重慶廣播電視大學(xué) 重慶市 401520

1 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)和電子技術(shù)的進(jìn)步，以及人們對(duì)汽車舒適性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、智能性要求的提高，汽車上的各電控單元之間的數(shù)據(jù)交換也越來越頻繁。通過復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)車內(nèi)通訊，根據(jù)汽車實(shí)際需求和總線特點(diǎn)，目前車載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用較廣泛的有CAN， LIN，MOST，F(xiàn)1exRay，Bluetooth總線，通過網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)有線網(wǎng)絡(luò)通訊。

傳統(tǒng)復(fù)雜沉重的電纜已被C A N（Controller area network）所代替，CAN總線成為應(yīng)用最廣泛的車載通訊網(wǎng)絡(luò)。CAN Bus基本數(shù)據(jù)總線傳輸協(xié)議由Bosch和Intel兩家公司在1983-1986年聯(lián)合開發(fā)的，最開始應(yīng)用于控制系統(tǒng)和汽車監(jiān)測技術(shù)。由于CAN總線系統(tǒng)具有高性能和高穩(wěn)定性，逐漸被應(yīng)用與汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤等動(dòng)力系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)控制方面。CAN總線共享汽車計(jì)算機(jī)所有信息和資源，達(dá)到減少傳感器數(shù)量、簡化線束布線、增加控制功能和提高系統(tǒng)可靠性、匹配和協(xié)調(diào)各控制系統(tǒng)。本文在研究CAN總線的基礎(chǔ)上，針對(duì)CAN總線典型故障現(xiàn)象，分析故障原因，并進(jìn)行故障診斷與排除。

2 CAN總線的概述

不同汽車電子控制系統(tǒng)及控制單元對(duì)CAN總線的工作特性和傳輸速率要求不同，本文針對(duì)某車型所介紹CAN總線系統(tǒng)分為五個(gè)不同的總線系統(tǒng)：系統(tǒng)關(guān)系網(wǎng)（CAN I/S）、車身網(wǎng)（CAN CAR）、底盤網(wǎng)（CAN LAS）、信息娛樂網(wǎng)（CAN INVO）、舒適網(wǎng)（CAN CONFORT ）等五個(gè)局域網(wǎng)，圖1為CAN I/S的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

2.1 CAN總線的組成

CAN總線主要是由CAN通信控制器、CAN收發(fā)器、數(shù)據(jù)傳輸線、終端電阻、網(wǎng)關(guān)等組成。CAN通信控制器是接收控制單元CPU的信號(hào)，傳輸給收發(fā)器，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理傳輸給CPU。

CAN收發(fā)器將控制器傳來的數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，通過數(shù)據(jù)傳輸線傳輸并發(fā)送。接受總線傳輸來的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化為內(nèi)部控制器能接收的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸線采用雙絞線形式，末端安裝電阻。雙絞線采用高低電平，當(dāng)控制器同時(shí)向兩條雙絞線發(fā)送數(shù)據(jù)，高低電平形成鏡像，終端電阻減少了過調(diào)效應(yīng)在數(shù)據(jù)傳輸中的影響。

圖1 CAN I/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.2 CAN總線的應(yīng)用

CAN系統(tǒng)根據(jù)信號(hào)的交換頻率及輸出的數(shù)據(jù)量，可以分為高速CAN總線和低速CAN總線，即CAN-H和CAN-L。在高速CAN總線中，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為512Kb/s。在低速CAN總線中國，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為128Kb/s。

系統(tǒng)關(guān)系網(wǎng)（CAN I/S）為高速網(wǎng)，連接動(dòng)力總成電控單元，如發(fā)動(dòng)機(jī)及變速器電控單元。CAN I/S是多主控網(wǎng)絡(luò)，所有電控單元周期性地向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送主動(dòng)信息，每個(gè)電控單元處理與自己有關(guān)的信息，除產(chǎn)生的隨機(jī)信息外，網(wǎng)絡(luò)信息的傳送是分時(shí)段進(jìn)行的。CAN I/S擁有一個(gè)中央處理設(shè)備，只要網(wǎng)絡(luò)中連接有2個(gè)（或更多個(gè)）電控單元時(shí)就建立通信。發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元（1320）和BSI（智能電控單元）是唯一擁有終端電阻的電控單元[1]。

底盤網(wǎng)（CAN LAS）為高速網(wǎng)，如果整車配備了ESP，就會(huì)有CAN HS LAS（底盤）網(wǎng)。

車身網(wǎng)（CAN CAR）為低速網(wǎng)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)伺服盒、免鑰匙控制盒、電子防盜裝置、方向盤及方向盤轉(zhuǎn)化模塊。

信息娛樂網(wǎng)（CAN INFO/DIV）為低速網(wǎng)，包括多功能顯示屏、遠(yuǎn)程通訊模塊、智能伺服盒。舒適網(wǎng)（CAN CONFORT）為低速網(wǎng)，包括空調(diào)電腦、駕駛員車門面板。

2.3 CAN總線的特點(diǎn)

CAN總線上的控制單元之間是獨(dú)立平等的關(guān)系，沒有主要和次要之分，也沒有主動(dòng)和被動(dòng)之分，可以自由靈活的向其它控制單元發(fā)送數(shù)據(jù)，也可靈活接收其它控制單元發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。CAN總線系統(tǒng)上的多個(gè)電子控制元件之間是并聯(lián)的關(guān)系，其中任何一個(gè)電子控制單元的故障不會(huì)使其他元件收到影響，依然可以數(shù)據(jù)交換。

采用雙絞線進(jìn)行信號(hào)傳輸，信號(hào)傳遞可靠，避免了電磁干擾。信號(hào)傳輸距離最遠(yuǎn)可以達(dá)到10KM，傳輸速率快，能夠滿足連成網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)元件之間的數(shù)據(jù)交換時(shí)實(shí)時(shí)性。

CAN總線根據(jù)優(yōu)先權(quán)判定原則對(duì)不同的等級(jí)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳遞和接收，滿足汽車不同控制系統(tǒng)的性能要求。當(dāng)兩個(gè)控制單元同時(shí)向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)信息，根據(jù)優(yōu)先權(quán)原則，優(yōu)先級(jí)別低的控制單元由發(fā)送信息狀態(tài)改變?yōu)榻邮招畔顟B(tài)，保證優(yōu)先級(jí)別高的控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳遞。

3 汽車CAN總線常見故障

汽車CAN總線發(fā)生故障時(shí)，故障現(xiàn)象主要表現(xiàn)為以下三種情況：一個(gè)或多個(gè)控制單元無法通訊；不同網(wǎng)絡(luò)單元同時(shí)表現(xiàn)多個(gè)不同故障；整個(gè)網(wǎng)絡(luò)或多個(gè)控制單元不工作或不能正常工作。常見故障原因有元件對(duì)正極短路、對(duì)正極斷路、對(duì)地?cái)嗦?、?duì)地短路、對(duì)控制單元斷路、彼此短路、信號(hào)反傳輸故障等。

當(dāng)汽車CAN總線出現(xiàn)故障或傳輸數(shù)據(jù)異常時(shí)，會(huì)出現(xiàn)不同故障，如啟動(dòng)后無法熄火，車輛無法啟動(dòng)，儀表板顯示異常。

研究國內(nèi)外車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)，采用兩種方式進(jìn)行故障分析：第一，檢測電阻進(jìn)行故障分析；第二，檢測電壓進(jìn)行故障分析；第三，故障診斷儀讀取故障波形進(jìn)行波形分析。

通過電阻、電壓測量分析故障時(shí)，主要檢查CAN-H搭鐵、CAN-H搭正極、CAN-H斷路、CAN-L搭鐵、CAN-L搭正極、CAN-L斷路、CAN-H與CAN-L短路、CAN-H與CAN-L都斷路。

以低速CAN為例進(jìn)行波形分析，在顯性位，VCAN-L=1V，VCAN-H=4V，VCAN-H-VCAN-L=3V。在隱性位，VCAN-L=5V，VCAN-H=0V，VCANH-VCAN-L=-5V。CAN-H與CAN-L信號(hào)電壓之和為5V。信號(hào)在傳輸中會(huì)產(chǎn)生毛刺雜波，但信號(hào)電壓之差不變，差值恒定保證電磁干擾對(duì)信息傳遞無影響。圖2為低速CAN標(biāo)準(zhǔn)波形，通過與標(biāo)準(zhǔn)波形的對(duì)比，分析故障原因。

圖2 低速CAN標(biāo)準(zhǔn)波形

4 汽車CAN總線檢修案例分析

針對(duì)某車出現(xiàn)的車輛無法啟動(dòng)，有故障現(xiàn)象為例進(jìn)行CAN總線相關(guān)故障分析。

（1）測量、記錄CAN I/S網(wǎng)在不同情況下的網(wǎng)絡(luò)電阻、電壓，測量結(jié)果如表1所示。

使用BOSCH740發(fā)動(dòng)機(jī)故障綜合診斷儀采集CAN線波形信號(hào)。示波器兩個(gè)通道分別測量CAN高和CAN低信號(hào)[2]。圖3為低速CAN總線標(biāo)準(zhǔn)波形，其中通道CH1接CAN-H線，通道CH2接CAN-L線。因篇幅有限，本文只選取其中一個(gè)故障波形進(jìn)行分析。圖4為CAN-H搭鐵的波形。

對(duì)比圖3和圖4的波形，可以發(fā)現(xiàn)CAN-H信號(hào)波形趨近一條直線，CAN-L信號(hào)波形基本正常，局部有尖銳的峰值，線路受到干擾。

圖3 低速CAN總線標(biāo)準(zhǔn)波形

圖4 CAN-H搭鐵信號(hào)波形

5 結(jié)語

針對(duì)某型汽車CAN總線的組成、原理、特點(diǎn)進(jìn)行介紹，分析CAN總線常見的故障現(xiàn)象、故障原因，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)不能啟動(dòng)且有故障現(xiàn)象進(jìn)行故障排除，對(duì)汽車維修企業(yè)進(jìn)行同類型故障的診斷與排除具有一定的指導(dǎo)意義。

（1）CAN總線主要故障原因有短路和斷路。（2）CAN總線故障診斷與排除方式主要有測量電壓、電阻、波形。

表1 CAN I/S網(wǎng)電阻、電壓測量結(jié)果