基于CAN總線的客車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與ASR故障診斷

陳國強(qiáng)

（廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建 廈門 361023）

在國外，CAN總線技術(shù)已廣泛應(yīng)用在客車上，如MAN、奔馳、尼奧普蘭、沃爾沃等客車；在國內(nèi)，隨著2007年1月1日交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JT/T 325-2006《營運(yùn)客車類型劃分及等級評定》[1]的實(shí)施，特大型、大型高三和高二等級客車均應(yīng)采用CAN技術(shù)[2]。在我公司，12 m以上車型大量應(yīng)用CAN總線技術(shù)。當(dāng)前CAN總線技術(shù)不僅用于解決車輛設(shè)備大量數(shù)據(jù)交換問題，更是車輛高配的象征。

1 CAN總線電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

本文所論述的車輛為10 m中型客車，整車配置高檔?？刂葡到y(tǒng)角度大致分為車身電器系統(tǒng)——CAN儀表、記錄儀、燈具等；底盤電控系統(tǒng)——進(jìn)口電控發(fā)動機(jī)、進(jìn)口自動變速器、進(jìn)口ABS帶ASR防側(cè)滑系統(tǒng)、進(jìn)口電控車身提升系統(tǒng)、TPMS輪胎壓監(jiān)控系統(tǒng)。

從配置上看整個系統(tǒng)是極其復(fù)雜的，各個系統(tǒng)之間需要完成大量的數(shù)據(jù)共享與交換才能實(shí)現(xiàn)整車的最佳運(yùn)行與管理控制。因此，電氣系統(tǒng)控制方案選擇放棄原該車型非CAN總線方案，而改采用全車CAN總線方案，即通過CAN-bus將車身電器系統(tǒng)、底盤電控系統(tǒng)下的各個ECU單元連接起來[3]。

CAN的運(yùn)行速度非?？?，為了不浪費(fèi)資源，車身電器系統(tǒng)宜采用低速CAN，底盤電控系統(tǒng)宜采用高速CAN。為了便于研究和設(shè)計(jì)，分別定義為“車身CAN網(wǎng)”和“動力CAN網(wǎng)”，兩種不同傳輸速率CAN網(wǎng)之間欲實(shí)現(xiàn)信息傳遞（如發(fā)動機(jī)的水溫、機(jī)油壓力、轉(zhuǎn)速等信息）還需設(shè)計(jì)一個“網(wǎng)橋”。整個網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架即為車身CAN網(wǎng)+網(wǎng)橋+動力CAN網(wǎng)，如圖1所示。

1.2 動力CAN網(wǎng)設(shè)計(jì)

定義由發(fā)動機(jī)、變速器、ABS/ASR系統(tǒng)等ECU單元或接口構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)為“動力CAN網(wǎng)”。動力CAN網(wǎng)按SAE J1939通信協(xié)議高速傳送數(shù)據(jù)，各系統(tǒng)間可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)動控制，如ASR驅(qū)動防滑要求發(fā)動機(jī)降扭功能：當(dāng)ABS/ASR ECU模塊檢測到左驅(qū)動輪和右驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率大于目標(biāo)滑轉(zhuǎn)率時，ABS/ASR系統(tǒng)既可通過ASR電磁閥直接實(shí)施制動使驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速降低，也可以基于SAE J1939協(xié)議通過車輛已搭建的CAN-bus向發(fā)動機(jī)ECM模塊發(fā)出降低輸出扭矩的CAN報文請求信息，發(fā)動機(jī)ECM響應(yīng)信息后控制發(fā)動機(jī)扭矩輸出，從而使驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速降低直至達(dá)到最佳滑轉(zhuǎn)率內(nèi)。

根據(jù)SAE J1939，CAN-bus兩端分別需要120Ω匹配電阻，其他系統(tǒng)的ECU模塊和網(wǎng)橋、診斷接口掛在匹配阻抗之間，如圖1所示。

1.3 車身CAN網(wǎng)設(shè)計(jì)

除掛在動力CAN網(wǎng)的系統(tǒng)外，其他系統(tǒng)均掛在同一CAN網(wǎng)，相應(yīng)定義為“車身CAN網(wǎng)”。因此，車身CAN網(wǎng)涉及的用電設(shè)備繁多，應(yīng)合理設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。除儀表和記錄儀外，基于“分布式”控制思想將用電設(shè)備劃分，分別由前燈控、前控、頂控、中控、后控、后燈控共6個CAN模塊控制，如圖2所示。

1）前燈控模塊：分管前照燈、前轉(zhuǎn)向燈、前標(biāo)志燈、前裝飾燈、前霧燈等前圍燈具。

2）前控模塊：分管刮水器、前門、飲水機(jī)、電動駕駛員椅、電動駕駛員窗等駕駛區(qū)內(nèi)設(shè)備。

3）頂控模塊：分管速度燈、小燈、轉(zhuǎn)向燈、制動燈；車內(nèi)電視、電子鐘、日光燈、閱讀燈等車頂區(qū)域設(shè)備。

4）中控模塊：分管中門、側(cè)標(biāo)志燈、儲氣筒氣壓傳感器、干燥器、冷凝器等車身中段區(qū)域設(shè)備。

5）后控模塊：分管空檔傳感器、倒檔傳感器、電池、發(fā)電機(jī)等車身后段區(qū)域設(shè)備。

6）后燈控模塊：分管后剎車燈、后轉(zhuǎn)向燈、后標(biāo)志燈、后霧燈等后圍燈具。

2 ASR故障診斷

設(shè)計(jì)好網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，就可以依次完成整車線束設(shè)計(jì)與安裝、整車電氣系統(tǒng)測試。經(jīng)調(diào)試證明，車身CAN網(wǎng)、動力CAN網(wǎng)均能完成各自的控制工作，兩者之間也能通過網(wǎng)橋完成必要的信息傳遞。但車輛在進(jìn)行防側(cè)滑測試時，發(fā)現(xiàn)功能失效。根據(jù)1.2所描述的ASR工作原理，將車輛后輪（驅(qū)動輪）放在檢測車速的滾筒試驗(yàn)臺上，前輪在地上，當(dāng)車子啟動后，后輪高速轉(zhuǎn)動，前輪不動，驅(qū)動輪處于完全打滑的狀態(tài)，此時ASR的正常功能是通過CAN網(wǎng)絡(luò)使得發(fā)動機(jī)降速處于怠速狀態(tài)[4-7]。

2.1 原因分析

按一般的故障診斷方法依次進(jìn)行閃碼診斷，無閃碼；檢查系統(tǒng)的電磁閥、傳感器、線路，更換ECU試驗(yàn)，均沒有發(fā)現(xiàn)問題。經(jīng)過一番周折，不僅花費(fèi)了大量人力、精力，反而使得問題更加復(fù)雜，讓人摸不著邊。

雖然未找出真正原因，但可以確定：系統(tǒng)硬件及其線束連接沒有問題；CAN網(wǎng)構(gòu)建沒有問題，數(shù)據(jù)通訊也沒有問題。如果不轉(zhuǎn)變故障診斷思路，再重新排查，必將是徒勞的。CAN網(wǎng)信息傳遞是通過CAN報文，因此，不妨通過分析功能實(shí)現(xiàn)所需報文尋找答案。

經(jīng)查閱SAE J1939通訊協(xié)議[8]，并與發(fā)動機(jī)系統(tǒng)、ABS/ASR系統(tǒng)的工程師一同討論，檢討功能實(shí)現(xiàn)所需滿足兩個條件：當(dāng)發(fā)動機(jī)發(fā)出的PGN 61444（EEC1）中的SPN899“Engine/Retarder Torque Mode”數(shù)據(jù)不為“1111（FF）”；ABS/ASR 系 統(tǒng) 發(fā) 出 的 PGN 0 （TSC1）中 的SPN897“Override Control Mode Priority”數(shù)據(jù)不為“11（F）”。如下程序所示。

問題的真正原因是否為CAN-bus傳遞的報文所含信息沒有滿足這兩個條件。如何獲取CAN-bus中的報文、如何分析報文中的數(shù)據(jù)，需要基于SAE1939通訊協(xié)議搭建一個CAN報文監(jiān)測平臺。

2.2 CAN報文監(jiān)測

根據(jù)試驗(yàn)條件，選擇廣州致遠(yuǎn)的CANPro協(xié)議分析儀器。CANalyst-II是該分析儀器的測試軟件，它是專門用于分析基于CAN-bus網(wǎng)絡(luò)的高層協(xié)議，比如iCAN、DeviceNet等，也可通過腳本配置分析自定義協(xié)議[9]。

先根據(jù)圖3搭建好了CAN動力網(wǎng)的檢測電路，并在檢測軟件界面預(yù)先設(shè)置好要檢測報文“EEC1”、“TSC1”信息，然后將車輛重新開到檢測線上，就可以監(jiān)測報文信息。

從圖4的檢測結(jié)果可得，EEC1報文的第一個字節(jié)即 SPN899的數(shù)據(jù)為“F0”，不是“FF”，說明發(fā)動機(jī)發(fā)送的報文信息是正確的；但TSC1報文的第一個字節(jié)高四位即SPN897的數(shù)據(jù)為“F”，說明ABS/ASR系統(tǒng)沒有發(fā)出正確信息，發(fā)動機(jī)接收不到正確的信息，自然沒有按要求降扭矩或減速。

為何ABS/ASR沒有發(fā)出正確的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)與兩家企業(yè)深入研討ASR功能解除的制動信號條件（當(dāng)剎車踏板被踩下或ASR系統(tǒng)從網(wǎng)絡(luò)中接收到剎車信號的CAN報文，ASR功能將解除）發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機(jī)始終向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送剎車信息報文[10-11]。

然而實(shí)際該車并未向發(fā)動機(jī)ECM接入制動信號，發(fā)動機(jī)不應(yīng)采集到踏板踩下信號，更不應(yīng)始終發(fā)送剎車信息。翻閱發(fā)動機(jī)接線原理圖，終于找到問題的真正原因。發(fā)動ECM剎車開關(guān)信號采集管腳定義為常閉觸點(diǎn)（觸點(diǎn)閉合表示未踩剎車，觸點(diǎn)斷開表示踩剎車）：該車未向發(fā)動機(jī)ECM接入制動信號，ECM就識別為觸點(diǎn)斷開狀態(tài)，并在CAN網(wǎng)中發(fā)送此信息，因此，影響了ASR的正常工作。

通過以上分析，立即將剎車信號通過一個常閉觸點(diǎn)繼電器接入發(fā)動機(jī)的ECM第80管腳，重新連上分析儀采集數(shù)據(jù)，即刻檢測到報文TSC1的第一個字節(jié)高四位即SPN897的數(shù)據(jù)由“F”變?yōu)椤癊”。將車輛重新開到試驗(yàn)臺試驗(yàn)，駕駛員猛踩油門，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速提至1500 r/min以上時，ASR功能指示燈突然點(diǎn)亮，油門立即失效，發(fā)動機(jī)即刻回到怠速狀態(tài)，表明ASR驅(qū)動防滑要求發(fā)動機(jī)降扭的功能起作用[12]。

3 結(jié)束語

本文所論述的客車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中故障診斷案例，很好地說明了CAN總線技術(shù)不僅提供了最佳的系統(tǒng)解決方案，也提供了很好的故障診斷手段。CAN總線技術(shù)必將在我國客車上廣泛應(yīng)用。作為一名客車電氣設(shè)計(jì)工程師應(yīng)學(xué)習(xí)、掌握汽車CAN總線技術(shù)，敢于去實(shí)踐、摸索，使得CAN總線技術(shù)為客車電氣設(shè)計(jì)與故障診斷工作服務(wù)。

[1]JT/T 325-2006，營運(yùn)客車類型劃分及等級評定[S].北京：人民交通出版社，2006.

[2]中國公路學(xué)會客車分會，江蘇省交通科學(xué)研究院.客車制作工藝技術(shù)（第2版）[M].北京：人民交通出版社，2008.12.

[3]馮桑，康迂福，新林權(quán).基于CAN總線的車載智能終端硬件設(shè)計(jì)[J].公路與汽運(yùn)，2010，（6）

[4]朱建風(fēng)，李國忠.常見車系CAN-BUS原理與檢修[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.5.

[5]文明.三圖法解析汽車電路及故障診斷[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[6]（美）Roy S.Cox.汽車第二代車載診斷系統(tǒng)（OBD II）解析 [M].馮永忠.譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.1.

[7]張勇，陸勇.CAN總線在車身低速電器中的應(yīng)用[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2010，（6）：5-8.

[8]SAE J1939-71 Revised JAN 2008[CP/DK].

[9]廣州致遠(yuǎn)電子有限公司.CANPro協(xié)議分析平臺使用指南[CP/DK].

[10]李建秋，趙六奇，韓曉東，等.汽車電子學(xué)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.5.

[11]南金瑞，劉波瀾.汽車單片機(jī)及車載總線技術(shù)[M].北京：理工大學(xué)出版社，2005.

[12]孫尚志，熊小根，孫駿.汽車驅(qū)動防滑控制系統(tǒng)的控制規(guī)律研究[J].客車技術(shù)與研究，2011，33（4）：10-13.