基于波形分析的大眾汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障診斷*

魏秋蘭，姚 鑫，代新雷

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，陜西西安710018）

0 引言

汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用逐漸廣泛，其可靠性要求很高，但由于車輛的振動(dòng)、潮濕、老化等因素，可能會(huì)出現(xiàn)絕緣故障、電纜斷路及插頭觸點(diǎn)等故障；如果網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)有故障，則整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的有些信息將無法傳輸，接收這些信息的控制單元將無法正常工作，從而給故障診斷帶來困難［1-2］。維修人員利用專用診斷儀及各種解碼器不能對(duì)具體故障部位或原因完全做出判斷，采用讀數(shù)據(jù)流的方法又很難判斷快速變化的數(shù)據(jù)。示波儀可將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)顯示在屏幕上，能夠直觀地反映元件的工作情況［3］。利用波形分析法診斷故障已被廣泛采用，李勇等人［4］利用示波儀采集了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)各種故障波形并做了說明，但是對(duì)故障波形產(chǎn)生機(jī)理解釋較少，使得在實(shí)際維修工作中仍然存在很多疑惑，網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)故障診斷會(huì)由于檢測(cè)點(diǎn)選取不當(dāng)而造成捕捉到波形失真，這樣對(duì)故障診斷結(jié)果有很大程度的影響，在CAN線斷路故障時(shí)尤為明顯，因此研究者需要通過分析故障波形產(chǎn)生機(jī)理說明測(cè)量點(diǎn)選取的重要性，為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的檢測(cè)維修工作提供指導(dǎo)。

本研究將采用波形分析法，利用大眾專用示波儀和診斷儀捕捉網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)故障波形，對(duì)故障波形產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析，對(duì)比不同位置檢測(cè)到的波形，以得到檢測(cè)位置對(duì)波形捕捉的影響，通過試驗(yàn)對(duì)檢測(cè)位置對(duì)CAN線波形的影響進(jìn)行驗(yàn)證，并在實(shí)際故障檢測(cè)中得到進(jìn)一步驗(yàn)證。

1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障診斷思路

1.1 診斷思路

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障一般有電源系統(tǒng)引起的故障、節(jié)點(diǎn)故障和線路故障［5］；通信線路的故障形式主要有CAN線短路、CAN線斷路、CAN高低線短路、CAN線以及線路物理性質(zhì)引起的通訊信號(hào)衰減或失真，這些都會(huì)引起控制單元無法工作或電控系統(tǒng)錯(cuò)誤動(dòng)作［6］?？刂茊卧恼９ぷ麟妷阂话阍?0.5 V~14.5 V范圍內(nèi)，如果提供的電壓低于該值就會(huì)造成一些對(duì)工作電壓要求高的控制單元出現(xiàn)停止工作，從而使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)無法通信。所以診斷前應(yīng)先保證電源供電正常，再使用專用診斷儀或解碼器對(duì)整個(gè)電控系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，若診斷結(jié)果為控制單元通訊故障、失去通訊、通訊總線故障時(shí)，一定要弄清控制單元之間的通信關(guān)系，選取合適的檢測(cè)點(diǎn)測(cè)量信息傳輸線路波形，最后查明故障原因。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)波形描述

大眾汽車采用了多種CAN 數(shù)據(jù)總線來進(jìn)行控制單元之間信息交換，大眾汽車2000年以后生產(chǎn)的車型，動(dòng)力CAN 數(shù)據(jù)總線傳輸速率為500 kbit/s，舒適CAN 和信息娛樂CAN 數(shù)據(jù)傳輸速率均為100 kbit/s。在CAN 線上信息傳遞是通過兩個(gè)二進(jìn)制邏輯狀態(tài)0（顯性）和1（隱性）來實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)邏輯狀態(tài)都對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的電壓值?？刂茊卧脙蓷l線上的電壓差來確認(rèn)數(shù)據(jù)。動(dòng)力CAN的標(biāo)準(zhǔn)波形如圖1所示，其CAN高線電壓變化為2.5 V~3.5 V 之間，CAN 低線電壓變化為1.5 V~2.5 V之間。舒適CAN正確的波形，高線電壓變化為0~4 V之間，CAN低線電壓變化為1 V~5 V之間。

2 試驗(yàn)測(cè)量

2.1 試驗(yàn)裝置連接

圖1 動(dòng)力CAN的標(biāo)準(zhǔn)波形

筆者以大眾帕薩特車型作為試驗(yàn)車輛，使用示波儀VAS6356 與診斷儀VAS6150 對(duì)該車的動(dòng)力CAN 進(jìn)行波形測(cè)試，并模擬多種故障波形。示波儀通道DSO1 的紅色測(cè)量端子（正極）接CAN 高線測(cè)量點(diǎn)A，通道DSO2 的紅色測(cè)量端子接CAN 低線測(cè)量點(diǎn)B，且二者的黑色測(cè)量端子同時(shí)接地，連接線路示意圖如圖2所示。系統(tǒng)在同一界面下顯示CAN 高線和CAN 低線的同步波形，能直觀分析故障。

圖2 示波儀測(cè)量動(dòng)力CAN連接線路示意圖

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 CAN線斷路波形機(jī)理分析

如圖2所示，本研究將斷路故障設(shè)置在ABS 控制單元的高線與檢測(cè)點(diǎn)A之間，并在A點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，得到的波形如圖3所示。ABS控制單元在發(fā)送信息時(shí)波形如圖3 中的分界線前面部分，此時(shí)檢測(cè)點(diǎn)A 電壓為低線電壓經(jīng)過發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、安全氣囊控制單元及自動(dòng)變速器控制單元終端電阻分壓后的電壓，高線波形與低線波形變化趨勢(shì)相同，但振幅有所下降，由于CAN線以差動(dòng)放大器來評(píng)估CAN線的輸入信號(hào)，另外3個(gè)控制單元無法識(shí)別ABS 控制單元發(fā)送的信息。而在ABS控制單元接收其他控制單元的信息時(shí)檢測(cè)點(diǎn)A能測(cè)量到如圖3 中的分界線后面部分波形，而且其余控制單元的信號(hào)能夠正確傳遞，波形顯示正常，但是由于線路斷開ABS該控制單元接收不到信息，斷路故障對(duì)驅(qū)動(dòng)CAN影響較大，在此種情況下動(dòng)力CAN不能正常工作，表現(xiàn)為某個(gè)控制單元不在網(wǎng)絡(luò)上的故障代碼［7］。

圖3 A點(diǎn)測(cè)量動(dòng)力CAN高線斷路波形

在相同故障情況下，若將測(cè)量點(diǎn)選取在圖2中的a點(diǎn)，得到的波形如圖4所示，波形呈鏡像傳遞，顯示正常。雖然ABS控制單元的高線發(fā)生斷路，但是發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、變速器控制單元、安全氣囊控制單元及儀表控制單元（內(nèi)含網(wǎng)關(guān)與防盜控制單元）之間能夠正常通信。

圖4 a點(diǎn)測(cè)量動(dòng)力CAN高線斷路波形

由此可以看出，斷路故障波形信號(hào)還取決于檢測(cè)點(diǎn)，如果將檢測(cè)點(diǎn)選取在離斷路較遠(yuǎn)的位置測(cè)量，CAN線上雖然沒有已斷開控制單元的發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)，但是示波儀仍會(huì)捕捉到正常波形信號(hào)，這些信息則是其余控制單元相互通信的信號(hào)，此種情況在示波儀解析率較低時(shí)將無法識(shí)別出各信息的比特從而造成誤判。所以筆者在利用示波儀測(cè)量前用診斷儀診斷出哪些控制單元不通訊，不通訊的控制單元之間有何聯(lián)系，再選取合適的測(cè)量點(diǎn)。

根據(jù)上述診斷思路，在大眾帕薩特車型無法起動(dòng)故障排除中，本研究通過故障診斷儀VAS6150讀到發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元存在兩個(gè)故障碼含義分別為動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線無法通訊和發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元閉鎖，再從網(wǎng)關(guān)中讀到故障碼含義為動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線有故障或有缺陷。其他控制單元無故障記憶，根據(jù)故障碼分析，該故障屬于CAN 總線系統(tǒng)通信線路故障，由于啟動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元要與防盜控制單元、變速器控制單元相互通信，又因?yàn)樵撥囆偷姆辣I控制單元集成在儀表控制單元內(nèi)，本研究將檢測(cè)位置重點(diǎn)選取在儀表控制單元的CAN線處，得到波形如圖3中分界線之前波形，表明此處高線斷路。通過仔細(xì)檢查連接線束，發(fā)現(xiàn)從儀表控制單元出來的插接器中CAN 高線端子觸點(diǎn)回退。筆者用線束修理工具修理好該插接器，清除所有控制單元的存儲(chǔ)的故障代碼，故障碼不再出現(xiàn)，故障排除，發(fā)動(dòng)機(jī)也能夠正常起動(dòng)。

舒適系統(tǒng)控制單元當(dāng)某節(jié)點(diǎn)的CAN高線斷路時(shí)，波形圖如圖5所示。僅斷路節(jié)點(diǎn)的CAN 高線無傳輸數(shù)據(jù)波形，高線為0 V隱性電壓，CAN低線傳輸數(shù)據(jù)波形正常，控制單元僅通過低線對(duì)地的電壓值確定傳輸數(shù)據(jù)，其余節(jié)點(diǎn)CAN線傳輸正常標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)稱互補(bǔ)數(shù)據(jù)波形，系統(tǒng)進(jìn)入單線傳輸模式［8］。舒適系統(tǒng)CAN數(shù)據(jù)總線引入獨(dú)立驅(qū)動(dòng)器（輸出放大器）彼此沒有通過電阻器相互連接，從而消除了兩種CAN 信號(hào)的相互依賴，因此舒適系統(tǒng)CAN 高線和CAN 低線不再相互影響，獨(dú)立運(yùn)作。

圖5 舒適CAN高線斷路

在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，如果存在斷路故障，則一個(gè)數(shù)據(jù)導(dǎo)線斷路時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)與所有控制單元一起切換到單線運(yùn)行模式，只有直接連接在已斷路數(shù)據(jù)導(dǎo)線上的控制單元才無法再將信息傳輸?shù)紺AN 線上。收發(fā)器識(shí)別到一根數(shù)據(jù)傳輸導(dǎo)線缺失，因此在相應(yīng)的測(cè)量值塊中顯示“單線運(yùn)行模式”。對(duì)于其余的控制單元來說，在斷路情況下可以不受干擾地傳輸數(shù)據(jù)。其余控制元件則表明有一個(gè)與總線相關(guān)的故障記錄，該記錄不斷在“單線”與“雙線”之間切換。在波形檢測(cè)時(shí)測(cè)量位置盡可能選在存在該故障記錄的控制單元CAN線之間。

2.2.2 CAN單線短路波形機(jī)理分析

當(dāng)動(dòng)力CAN高線對(duì)正極短路時(shí)，則在高線上任意一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)測(cè)量到的波形均為電源電壓（約12 V），在測(cè)量點(diǎn)B 測(cè)得低線電壓為高線12 V 電壓經(jīng)過動(dòng)力系統(tǒng)所有控制單元終端電阻并聯(lián)后總電阻分壓后所得的電壓，所以波形為低于12 V 的一條直線。同理，CAN高線任意處對(duì)地短路，則高線電壓為0 V直線；動(dòng)力CAN 低線電壓是高線0 V 電壓經(jīng)過動(dòng)力系統(tǒng)所有控制單元終端電阻并聯(lián)后總電阻分壓后的電壓，所以波形為高于0 V的一條直線。在此種情況下動(dòng)力CAN系統(tǒng)無法確認(rèn)信息，因此均無法正常工作。

當(dāng)舒適CAN高線對(duì)地短路時(shí)，高線電壓置于0 V，低線電壓正常，舒適CAN 高線對(duì)正極短路，高線電壓為12 V 或蓄電池電壓，CAN 低線的電壓正常，該類故障舒適CAN均為單線運(yùn)行，所有連接在此的控制單元都與這個(gè)故障相關(guān)。如果調(diào)用相關(guān)控制單元內(nèi)的故障碼存儲(chǔ)器，則可以讀取到故障記錄“舒適系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線處于單線運(yùn)行模式”和“短路”。無論故障部位在何處，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有位置都可以發(fā)現(xiàn)這種故障形式。

2.2.3 CAN高低線短路和高低線交叉波形機(jī)理分析

動(dòng)力CAN高線與CAN低線短路時(shí)，測(cè)量點(diǎn)A與B的電壓均被置于隱性電壓值（約為2.5 V），在實(shí)際檢測(cè)中，可以通過拔取驅(qū)動(dòng)CAN總線上的控制單元判斷是由于控制單元引起的短路還是由于CAN 高線或CAN低線線路連接引起的短路。當(dāng)存在故障線被取下后，波形恢復(fù)正常，說明是被拔下的導(dǎo)線存在短路故障。

舒適CAN 高、低線之間短路，兩線電壓波形均為高線電壓波形，低線電壓自動(dòng)切斷，此時(shí)控制單元僅通過高線線路對(duì)地的電壓值確定傳輸數(shù)據(jù)。此時(shí)研究者用萬用表測(cè)量電壓應(yīng)接近高線電壓等。這時(shí)舒適系統(tǒng)CAN上的所有控制單元都發(fā)生這種情況，所以該故障以記錄“無法到達(dá)控制單元×××”的形式存儲(chǔ)在診斷網(wǎng)關(guān)故障碼存儲(chǔ)器內(nèi)。

動(dòng)力CAN高低線交叉時(shí)低線傳遞高線波形，高線傳遞低線波形，檢測(cè)到的波形顏色調(diào)換。這時(shí)重點(diǎn)需檢查插接端子和CAN 線是否對(duì)換。舒適CAN 高低線交叉后，兩線互換傳遞波形。未經(jīng)過培訓(xùn)的人員或修理工維修導(dǎo)線束或加裝系統(tǒng)時(shí)，容易產(chǎn)生該故障，應(yīng)多和客戶溝通。

2.2.4 CAN線帶電阻波形機(jī)理分析

動(dòng)力CAN 線路帶電阻時(shí)，波形振幅減小，而且電阻越大，振幅越小?？刂茊卧獌?nèi)差動(dòng)放大器無法評(píng)估CAN線的輸入信號(hào)，所以系統(tǒng)無法正常工作。這時(shí)需注意檢查連接CAN 線的插接器是否松動(dòng)。與2.2.1節(jié)所述相似，若測(cè)量點(diǎn)選取較遠(yuǎn)，示波儀解析率低的情況下動(dòng)力CAN線帶阻故障波形將不易察覺。

舒適CAN 高線帶阻，高線波形振幅減小，而且電阻越大，振幅越小，高線帶阻系統(tǒng)也會(huì)自動(dòng)切換為單線運(yùn)行模式，工作人員在檢查時(shí)要注意各連接端子是否松動(dòng)，針腳是否有氧化造成接觸電阻。

3 結(jié)束語

筆者分析研究了大眾汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通信線路的部分故障波形產(chǎn)生機(jī)理。研究結(jié)果表明，動(dòng)力CAN線的斷路故障和帶阻故障表現(xiàn)為動(dòng)力系統(tǒng)部分控制單元之間無法通訊，且檢測(cè)位置對(duì)波形有一定影響；而短路故障會(huì)引起動(dòng)力系統(tǒng)所有控制單元無法通訊，位置對(duì)波形無影響。舒適CAN線的單線短路、單線斷路和單線帶阻故障系統(tǒng)均切換為單線運(yùn)行，但舒適CAN雙線交叉、雙線間短路故障會(huì)引起線上的控制單元無法通訊。

波形分析法能夠形象、直觀地反映故障癥狀與故障原因間的因果關(guān)系，為在設(shè)計(jì)、維護(hù)和維修汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供了良好的依據(jù)，有利于進(jìn)一步提高汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工作的可靠性與安全性水平。同時(shí)，示波儀可以與故障診斷儀結(jié)合起來，進(jìn)行更有效地故障診斷。

（References）：

［1］廖向陽.車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)檢修［M］.2 版.北京：人民交通出版社，2011.

［2］QU Li-rong，HE Dan-ya.The research and development of automotive engine test platform［J］.Advanced Materials Research，2012（433）：595-599.

［3］DING Zai-ming，LIU Jin-feng.Study and design of check?ing and testing car for whole circuit［J］.Applied Mechan?ics and Materials，2014（575）：554-557.

［4］李 勇.汽車單片機(jī)與車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［5］趙 春，孫志剛.應(yīng)用波形分析法檢測(cè)汽車CAN-BUS 故障［J］.拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2008（4）：120-122.

［6］侯 勇，周克媛.基于大眾汽車的CAN-BUS 總線控制系統(tǒng)的故障診斷方法［J］.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014（2）：15-19.

［7］劉 威，譚小鋒.汽車CAN 系統(tǒng)故障原理及波形分析［J］.北京勞動(dòng)保障職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013（2）：50-54.

［8］徐 闖，鄧忠華.基于CANopen 的套色系統(tǒng)主站的實(shí)現(xiàn)［J］.輕工機(jī)械，2014，32（1）：54-57.

［9］蘭文奎，江 洪.基于波形分析法的CAN-BUS 系統(tǒng)故障診斷研究［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2010（7）：57-59.