汽車總線瞬時崩潰原因及車輛功能影響分析

李曉剛 李婕 曹寧 劉開元 劉啟輝 汪攀

（上汽通用汽車有限公司武漢分公司）

汽車總線的穩(wěn)定性在汽車功能穩(wěn)定性中至關(guān)重要。隨著整車智能化及集成化程度的提高，總線數(shù)據(jù)也日趨復(fù)雜，當(dāng)大量的數(shù)據(jù)出現(xiàn)問題或者丟失時，汽車總線可能出現(xiàn)崩潰的情況。如果汽車出現(xiàn)總線長時間掉線問題，一般會造成汽車部分功能故障[1-2]。汽車通常會出現(xiàn)瞬時掉線，持續(xù)時間為20～200 ms 之間，當(dāng)出現(xiàn)這種情況的掉線時，可能會導(dǎo)致部分車輛模塊瞬間功能異常并彈出警示，但實際功能卻不受影響。基于以上問題，文章通過汽車總線仿真測試軟件（Vehicle Spy3）錄取并分析實車總線數(shù)據(jù)，確定總線瞬時崩潰的原因，同時分析總線瞬時崩潰對車輛功能的影響，并深入評估車輛功能的恢復(fù)和正常使用的情況。

1 汽車總線瞬時崩潰問題分析

項目進行期間出現(xiàn)了“儀表盤彈出請檢修制動牽引力”問題，隨即進行問題分析，到實車階段發(fā)現(xiàn)儀表盤一直顯示該問題，但是汽車制動牽引力可正常使用，汽車無其他故障。

故錄取總線數(shù)據(jù)后，對總線數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的分析，發(fā)現(xiàn)總線上許多模塊都出現(xiàn)了短暫的掉線，并且掉線狀態(tài)持續(xù)的時間很短，約為20 ms 左右，如圖1 紅框中所示。

1.1 CAN 總線的故障原因分析

CAN 總線是一種現(xiàn)場總線，連接在CAN 總線上的控制單元通常是通過2 根數(shù)據(jù)導(dǎo)線彼此相連。2 根導(dǎo)線是雙導(dǎo)線并互相纏繞，稱為CAN-H 和CAN-L，雙絞線對稱信號，抗干擾能力強，適用于環(huán)境比較惡劣的條件[3]。

分析數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，總線上的數(shù)據(jù)出現(xiàn)在20 ms 內(nèi)丟失1～2 幀數(shù)據(jù)的情況。模塊集體丟幀這類問題大概率的原因是物理連接問題引起，特別是有外接線束或者設(shè)備的情況下，如果存在接觸不良、短接、虛接、短地等情況都有可能出現(xiàn)。

其中儀表盤彈窗提示“請檢修牽引力”，邏輯如下：電子剎車控制模塊是安全件，對于信號改變的識別比較敏銳，只要監(jiān)控到總線掉線，即多條相關(guān)信號不在線，如Ax/Ay（傳感器X/Y軸加速度）等，就會禁用掉TCS（牽引力制動系統(tǒng)）/ESC（電子車身穩(wěn)定性控制系統(tǒng)），此時電子剎車控制模塊只請求了毫秒級的故障提示，繼而會在儀表盤顯示請維修牽引力。

CAN 總線的故障共分為3 類[4-5]：1）電源故障。由于電源系統(tǒng)電壓低，引起控制器無法正常工作。2）節(jié)點故障。通過數(shù)據(jù)總線實現(xiàn)的控制單元網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點為網(wǎng)絡(luò)的各個電控單元，可能存在電控單元本身有故障。3）鏈路故障?？赡苡捎谲嚈C震動、系統(tǒng)未正確加裝等原因?qū)е驴偩€的物理層出現(xiàn)故障，即傳輸系統(tǒng)的鏈路不通暢，無法正常通訊。鏈路故障又分為以下3 種，如表1 所示。

表1 汽車CAN 總線鏈路故障原因

該問題發(fā)生原因可能是CAN 線斷路導(dǎo)致的，但是該問題現(xiàn)象只保持了20 ms 左右，隨即恢復(fù)正常，如果是線路斷路導(dǎo)致，問題現(xiàn)象應(yīng)該一直存在，故可排除是由于CAN 線斷路導(dǎo)致的。

當(dāng)電阻缺失時，負載會減小，導(dǎo)致線路電流加大，線路會一直處于總線保護中，問題現(xiàn)象也會一直存在，故可以排除由于電阻缺失導(dǎo)致CAN 線路故障。

問題發(fā)生的原因還可能是CAN 線短路導(dǎo)致，為了查明是否由于CAN 線短路導(dǎo)致該問題的發(fā)生，需要對問題現(xiàn)象進行復(fù)現(xiàn)，以下為3 種復(fù)現(xiàn)的工況及手法。

工況一：正常狀態(tài)下，啟動汽車，通過對整車啟動過程進行復(fù)現(xiàn)，查看儀表盤是否彈出警示；

工況二：懷疑外接設(shè)備導(dǎo)致，故插拔數(shù)據(jù)錄取工具進行復(fù)現(xiàn)；

工況三：嘗試短接高速CAN 線的CAN-H 和CAN-L。

1.2 問題復(fù)現(xiàn)分析

分別在上述工況下對問題現(xiàn)象進行復(fù)現(xiàn)，通過復(fù)現(xiàn)，確認問題發(fā)生的根本原因。

1.2.1 工況一描述

不做任何相關(guān)的其他觸發(fā)操作，只是正常啟動汽車后，觀察儀表盤是否彈出請檢修制動牽引力的警示，并觀察是否有其他現(xiàn)象。

1.2.2 工況二描述

由于插拔外接設(shè)備時問題現(xiàn)象會偶然復(fù)現(xiàn)，故分析認為在插拔外接設(shè)備時，在某種特定工況下會導(dǎo)致總線掉線。因此儀表盤彈出請檢修制動牽引力問題的提示很可能是由于外接設(shè)備導(dǎo)致，外接設(shè)備及連接方式，如圖2 所示。

圖2 外接設(shè)備連接方式

針對該情況，分析插拔外接設(shè)備，以確定導(dǎo)致問題現(xiàn)象發(fā)生時，外接設(shè)備的狀態(tài)。通過復(fù)現(xiàn)對比，儀表盤彈窗出現(xiàn)“請檢修牽引力”的提示，從而復(fù)現(xiàn)出問題發(fā)生時的狀況。

首先數(shù)據(jù)錄取設(shè)備接口與汽車延長端口相連接，復(fù)現(xiàn)的狀態(tài)為外接設(shè)備拔出的過程較慢，端口的針腳之間容易出現(xiàn)誤接觸，從而容易產(chǎn)生問題現(xiàn)象。

1.2.3 工況三描述

嘗試短接高速CAN 線的CAN-H 和CAN-L，分別對應(yīng)引腳中的6/14 腳，如圖3 所示。在短接過程中，需要保證只是短暫的短接，避免由于時間過長影響車輛狀況。短接的方式為：先用金屬絲的一端連在引腳6上，然后用金屬絲的另一端去觸碰引腳14，再瞬間拿開，從而實現(xiàn)短暫短接的工況[6-7]。

圖3 端口引腳分布圖

在短接過程中，我們盡量保證短暫接觸后立即斷開，之后從數(shù)據(jù)中看到，當(dāng)短接時間為25 ms 左右時，儀表盤彈出“請檢修制動牽引力”的提示，與問題出現(xiàn)時的現(xiàn)象一致。

1.3 復(fù)現(xiàn)結(jié)果

針對以上3 種復(fù)現(xiàn)工況，為了避免不同車輛因素的干擾，只使用一臺試驗車進行3 種工況的復(fù)現(xiàn)操作。通過對上述3 種工況進行相應(yīng)的復(fù)現(xiàn)，并統(tǒng)計復(fù)現(xiàn)的次數(shù)及頻率，經(jīng)過一段時間得到結(jié)果，如表2 所示。

表2 不同復(fù)現(xiàn)工況下的復(fù)現(xiàn)概率

從復(fù)現(xiàn)結(jié)果可以看出，在正常啟動汽車時，復(fù)現(xiàn)的概率為0，表示在該復(fù)現(xiàn)工況下，問題現(xiàn)象不會出現(xiàn)，可以排除車輛總線自身會掉線的可能性。

當(dāng)插拔外接設(shè)備進行復(fù)現(xiàn)時，發(fā)現(xiàn)問題現(xiàn)象可以復(fù)現(xiàn)，但是頻次較低，發(fā)生該現(xiàn)象的可能性是在插拔外接設(shè)備時，不一定會出現(xiàn)問題現(xiàn)象，而在插接過程中，2 個接口之間處于某種接插狀態(tài)時，才會導(dǎo)致問題現(xiàn)象的發(fā)生。通過多次分析及試驗，發(fā)現(xiàn)在2 個接口緩慢拔出的過程中，某些針腳處于連接狀態(tài)，而某些針腳處于斷開狀態(tài)，在這種針腳連接狀態(tài)下，可能會出現(xiàn)問題現(xiàn)象的發(fā)生。

在短接的CAN-H 和CAN-L 時，發(fā)現(xiàn)復(fù)現(xiàn)頻次很高，短接的方式如復(fù)現(xiàn)工況中描述，基本只要進行短時間的短接，就會造成問題現(xiàn)象的出現(xiàn)。

通過對以上的復(fù)現(xiàn)工況及復(fù)現(xiàn)結(jié)果進行分析，由于短接高速CAN 線時，都會出現(xiàn)問題現(xiàn)象，而在插拔外接設(shè)備的過程中，會出現(xiàn)由于針腳誤觸而導(dǎo)致問題現(xiàn)象發(fā)生，而問題發(fā)生時實際車輛只連接外接設(shè)備，而沒有自己短接的可能性存在，所以基本鎖定總線掉線的原因是由于插拔外接設(shè)備時，總線偶然出現(xiàn)短接20 ms左右造成的。

2 總線崩潰對車輛功能影響分析

為了確認和分析總線崩潰是否會導(dǎo)致車輛出現(xiàn)功能問題，文章經(jīng)過長時間的跟蹤和車輛數(shù)據(jù)對比，進行了分析和驗證。

首先對于問題第一次發(fā)生的車輛進行7 天的跟蹤，發(fā)現(xiàn)缺陷車輛恢復(fù)正常之后，車輛功能在該段時間內(nèi)未發(fā)生其他異常，且錄取總線數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)未出現(xiàn)少發(fā)幀的現(xiàn)象。

然后對其他3 輛車進行工況三的復(fù)現(xiàn)方法對比，即通過短接高速CAN 線的CAN-H 和CAN-L，總線崩潰時間不同，車輛也會有不同的狀態(tài)。因為模塊的輪詢周期不同，部分模塊輪詢周期較短，出現(xiàn)總線掉線后立刻會有警示燈彈出。

掉線時間不同對車輛會有不同的影響，對比的指標(biāo)主要分為以下幾個方面，如表3 所示。

表3 總線掉線對車輛的影響指標(biāo)

因為汽車外接設(shè)備發(fā)生崩潰的時間為20 ms 左右，故設(shè)定短接時間為10 ms、20 ms、40 ms、80 ms，對比數(shù)據(jù)，如表4 所示。

表4 不同短接時間指標(biāo)數(shù)據(jù)

從表4 中可以看出，在追蹤車輛后期質(zhì)量時，沒有出現(xiàn)相關(guān)的故障，說明總線短暫崩潰后，汽車的功能會迅速恢復(fù)正常，并且不影響車輛的其他功能。

3 結(jié)論

通過對以上的復(fù)現(xiàn)工況及復(fù)現(xiàn)結(jié)果進行分析，總線發(fā)生瞬時崩潰的原因是在插拔外接設(shè)備的過程中，出現(xiàn)針腳誤觸而導(dǎo)致總線短路。通過對問題發(fā)生后的車輛功能進行長時間的追蹤，車輛功能未發(fā)現(xiàn)故障。綜上所述，當(dāng)總線短暫崩潰后，車輛的功能會迅速恢復(fù)正常，并且不會對車輛的正常功能造成影響。文章在理論上闡述了汽車總線短暫掉線發(fā)生后根本原因的確認，并評估此現(xiàn)象對整車功能的影響，可以指導(dǎo)后期車輛出現(xiàn)該問題后的排查及功能評估。后期將進一步研究總線掉線時間長短對于車輛功能安全方面的影響，并研究總線在出現(xiàn)意外情況下保持穩(wěn)定的方法及策略。