基于波形分析的轎車(chē)CAN-BUS系統(tǒng)故障診斷研究

張學(xué)濤 狄恩倉(cāng)

（中州大學(xué)機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院，河南 鄭州 450044）

汽車(chē)控制單元的數(shù)量在不斷地上升，控制單元數(shù)量的增加，使得它們之間的信息交換也越來(lái)越密集［1］。而CAN數(shù)據(jù)總線可提供特殊的局域網(wǎng)，為汽車(chē)的集群控制器單元進(jìn)行密集數(shù)據(jù)交換。汽車(chē)CAN（Controller Area Network）總線，稱(chēng)為控制單元的局域網(wǎng)，它是車(chē)用控制單元傳輸信息的一種傳送形式。

1 Can-bus的日趨普及

以大眾汽車(chē)集團(tuán)為例，于1997年率先在PASSAT的舒適系統(tǒng)上采用了傳送速率為62.5Kbit/s的Can-bus，2001年，大眾集團(tuán)公司進(jìn)一步提高了Can-bus的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，將舒適系統(tǒng)Can-bus提高到100Kbit/s，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提高到 500Kbit/s，2003年，大眾集團(tuán)公司在新PQ35平臺(tái)上使用五重結(jié)構(gòu)的Can-bus系統(tǒng)，及單線的LIN-BUS。目前大眾在華銷(xiāo)售所有車(chē)型均采用CAN數(shù)據(jù)總線網(wǎng)絡(luò)。

圖1 轎車(chē)CAN數(shù)據(jù)總線網(wǎng)絡(luò)

圖2 Can-bus系統(tǒng)組成

2 轎車(chē)Can-bus系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

Can-bus系統(tǒng)由CAN收發(fā)器、數(shù)據(jù)傳輸終端和數(shù)據(jù)傳輸線組成（如圖2所示）。CAN收發(fā)器安裝在控制器內(nèi)部，同時(shí)兼具接收和發(fā)送的功能，將控制器傳來(lái)的數(shù)據(jù)化為電信號(hào)并將其送入數(shù)據(jù)傳輸線。數(shù)據(jù)傳輸終端是一個(gè)電阻，防止數(shù)據(jù)在線端被反射，以回聲的形式返回，影響數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)傳輸線是雙向數(shù)據(jù)線，由高低雙絞線組成。CAN數(shù)據(jù)總線的兩條導(dǎo)線分別叫CAN-High和CAN-Low線。兩條扭絞在一起的導(dǎo)線稱(chēng)為雙絞線。各個(gè)CAN系統(tǒng)的所有控制單元都并聯(lián)在CAN數(shù)據(jù)總線上。

Can-bus采用雙絞線自身校驗(yàn)的結(jié)構(gòu)，如圖3所示，這樣既可以防止電磁干擾對(duì)傳輸信息的影響，也可以防止本身對(duì)外界的干擾。系統(tǒng)中采用高低電平兩根數(shù)據(jù)線，控制器輸出的信號(hào)同時(shí)向兩根通訊線發(fā)送，高低電平互為鏡像。并且每一個(gè)控制器都增加了終端電阻，以減少數(shù)據(jù)傳送時(shí)的過(guò)調(diào)效應(yīng)。

圖3 自身校驗(yàn)結(jié)構(gòu)的雙絞線

目前轎車(chē)上的網(wǎng)絡(luò)連接方式主要采用2條CAN。一條用于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高速CAN，速率達(dá)到500kb/s，主要面向?qū)崟r(shí)性要求較高的控制單元，如發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)等；另一條用于車(chē)身系統(tǒng)的低速CAN，速率是100kb/s，主要是針對(duì)車(chē)身控制的，如車(chē)燈、車(chē)門(mén)、車(chē)窗等信號(hào)的采集以及反饋，其特征是信號(hào)多，但實(shí)時(shí)性要求低，因此實(shí)現(xiàn)成本要求低。

由于不同區(qū)域Can總線的速率和識(shí)別代號(hào)不同，因此一個(gè)信號(hào)要從一個(gè)總線進(jìn)入到另一個(gè)總線區(qū)域，必須把它的識(shí)別信號(hào)和速率進(jìn)行改變，能夠讓另一個(gè)系統(tǒng)接收，這個(gè)任務(wù)由網(wǎng)關(guān)（Gateway）來(lái)完成。另外，網(wǎng)關(guān)還具有改變信息優(yōu)先級(jí)的功能。

圖4 CAN數(shù)據(jù)總線網(wǎng)絡(luò)區(qū)域

3 示波器波形分析

當(dāng)Can-bus數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，如：通訊線路短路、斷路以及線路物理性質(zhì)引起的通訊信號(hào)衰減或失真，都會(huì)引起多個(gè)電控單元無(wú)法工作或控制系統(tǒng)錯(cuò)誤動(dòng)作。判斷是否為數(shù)據(jù)總線故障時(shí)，可采用示波器來(lái)觀察通訊數(shù)據(jù)信號(hào)是否與標(biāo)準(zhǔn)通訊數(shù)據(jù)信號(hào)相符。

4 CAN數(shù)據(jù)總線典型故障及示波器分析

在CAN-BUS上，信息傳遞是通過(guò)兩個(gè)一進(jìn)制邏輯狀態(tài)0（顯性）和1（隱性）來(lái)實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)邏輯狀態(tài)都對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的電壓值控制單元，利用兩條線上的電壓差來(lái)確認(rèn)。

4.1 典型故障1：Can-Low斷路

圖5 Can-Low斷路故障

圖6 Can-Low斷路故障波形

從波形圖上可看出，Can-Low的波形為一條直線，說(shuō)明Can-Low的電壓基本不變，觀察Can-Low一直處于高電平電壓。結(jié)合CAN收發(fā)設(shè)備內(nèi)部電路（如圖7所示），Can-Low電路上有上拉電阻，如果Can-Low一直為高電位，則Can-Low為“+”電壓，可判斷出Can-Low處于斷路狀態(tài)。

4.2 典型故障2：Can-High斷路

波形圖顯示Can-High的波形為一條直線，說(shuō)明Can-High的電壓基本不變，而觀察Can-High一直處于低電平電壓。結(jié)合CAN收發(fā)設(shè)備內(nèi)部電路（如圖7所示），Can-High電路上有下拉電阻，如果Can-High一直處于低電平電壓，則Can-High為接地，可判斷出Can-High處于斷路狀態(tài)。

圖7 CAN收發(fā)設(shè)備內(nèi)部電路

4.3 典型故障3：Can-Low與地短接

波形圖顯示Can-Low的波形為一條直線，說(shuō)明Can-Low的電壓基本不變，再觀察Can-Low一直處于低電平電壓，結(jié)合CAN收發(fā)設(shè)備內(nèi)部電路（如圖7所示），可判斷出Can-Low也處于與地短接狀態(tài)。

5 結(jié)論

傳統(tǒng)汽車(chē)檢測(cè)由于沒(méi)有使用示波器，經(jīng)常是汽車(chē)明明有故障，而掃描工具檢測(cè)卻顯示系統(tǒng)正常。隨著Can-bus在汽車(chē)綜合控制上應(yīng)用的廣泛化，Can-bus的故障診斷技術(shù)必將得到重視。

［1］于萬(wàn)海.汽車(chē)單片機(jī)與車(chē)載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2007.