基于汽車網(wǎng)絡(luò)分析的奧迪A8發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)研究

胡亞楠，宋素萍

(1.鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南 鶴壁 458030;2.鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 河南 新鄭 450064)

0 引言

隨著汽車網(wǎng)絡(luò)研發(fā)的突飛猛進(jìn)，科技含量較高技術(shù)越來越多的應(yīng)用在汽車上。而傳統(tǒng)的布線方式，傳輸速率已不能滿足需要。因此，車載網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。汽車網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用節(jié)省了汽車制造企業(yè)的開支，便于汽車線路的維修，提高了汽車信息的傳輸速率，同時(shí)提高了電控系統(tǒng)的可靠性。但隨之而來的為汽車維修的方法帶來了革命性的變革。傳統(tǒng)的維修方法主要依靠維修人員的經(jīng)驗(yàn)和簡單的維修工具，通過簡單的測(cè)量可能就能找到故障點(diǎn)。而帶有復(fù)雜汽車網(wǎng)絡(luò)，電控元器件比較多的汽車更依賴于專用的診斷儀，示波器和一整套電子診斷維修的方法。通過查資料發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)上研究機(jī)械故障維修的較多，即使有維修汽車網(wǎng)絡(luò)故障的資料也是單純的做些網(wǎng)絡(luò)的理論分析，沒有把汽車網(wǎng)絡(luò)維修和機(jī)械維修結(jié)合起來，更沒有深入探討汽車網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臅r(shí)間問題對(duì)機(jī)械故障的影響。而在實(shí)際維修過程中，很多看似機(jī)械故障的原因，其實(shí)是由于汽車網(wǎng)絡(luò)故障引起的。

本研究以奧迪A8汽車網(wǎng)絡(luò)CAN線為例，利用奧迪專用的診斷系統(tǒng)，結(jié)合示波儀，對(duì)故障碼，數(shù)據(jù)流，波形進(jìn)行綜合分析，通過CAN線傳輸?shù)脑?，說明信息傳輸?shù)臅r(shí)間對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的影響，從而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)的影響。為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的唯一性和可靠性，反復(fù)做了大量的實(shí)驗(yàn)，并在實(shí)際故障檢測(cè)中得到了進(jìn)一步的驗(yàn)證。

1 奧迪A8車型介紹

1.1 總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

奧迪A8的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 奧迪A8的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通過上圖我們可以發(fā)現(xiàn)奧迪A8的CAN線有高速和低速兩種總線，不同速率的數(shù)據(jù)總線通過網(wǎng)關(guān)進(jìn)行信息傳遞，而不能直接連接。而我們今天研究的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)很明顯屬于驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)總線，也就是高速總線。

1.2 奧迪網(wǎng)絡(luò)原理

想要交換的數(shù)據(jù)稱為信息，每個(gè)控制單元都有一個(gè)收發(fā)器，均可發(fā)送和接收信息。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)我們以二進(jìn)制值(0和1)來表示，當(dāng)需要發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)時(shí)，信息就包含在諸如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等重要物理量中，1 800 r/min用二進(jìn)制表示就是00010101。接收的過程是收發(fā)器把電壓值轉(zhuǎn)換為比特流，RX線(接收線)接收后發(fā)送給控制單元，大量的二進(jìn)制值被轉(zhuǎn)換成信息。例如：00010101這個(gè)值就代表著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是1 800r/min。這個(gè)轉(zhuǎn)換過程類似于我們的廣播，每個(gè)連接的用戶可接收同一電臺(tái)的節(jié)目，并且這些連接的所有控制單元都處于相同的信息狀態(tài)。

2 試驗(yàn)測(cè)量

2.1 故障現(xiàn)象描述

試驗(yàn)一：奧迪A8驅(qū)動(dòng)CAN線有兩根，一根為CAN高線，一根為CAN低線，如果把CAN高線對(duì)地短路，起動(dòng)汽車，我們發(fā)現(xiàn)汽車無法起動(dòng)。

試驗(yàn)二：用專用診斷儀清除試驗(yàn)一中存儲(chǔ)下的故障碼，但驅(qū)動(dòng)CAN高線依然對(duì)地短路，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)依然無法起動(dòng)。

試驗(yàn)三：把試驗(yàn)一中驅(qū)動(dòng)CAN高線對(duì)地短路故障排除，但不清除故障碼，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)可以起動(dòng)。

試驗(yàn)四：先起動(dòng)車輛，然后把CAN高線對(duì)地短路，發(fā)現(xiàn)汽車不會(huì)熄火。

2.2 故障現(xiàn)象分析

從試驗(yàn)中我們可以清楚的看出，汽車網(wǎng)絡(luò)故障發(fā)生的時(shí)間決定了發(fā)動(dòng)機(jī)是否可以起動(dòng)。按照傳統(tǒng)的維修思路，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)無法起動(dòng)時(shí)，一般首先檢查的是保險(xiǎn)，曲軸位置傳感器，發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元，噴油，點(diǎn)火等，但此例很明顯是由于汽車網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)無法起動(dòng)。如果按照傳統(tǒng)的維修思路，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)最后你沒有發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，同時(shí)浪費(fèi)了大量的時(shí)間，所以維修現(xiàn)在的車輛，尤其是帶有車載網(wǎng)絡(luò)和電控原件較多的車輛，我們一定要把汽車網(wǎng)絡(luò)和機(jī)械故障現(xiàn)象結(jié)合起來，而不是單純的檢查機(jī)械部分。下面根據(jù)此例，對(duì)故障現(xiàn)象進(jìn)行分析。

2.2.1 數(shù)據(jù)傳遞

發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元接受到轉(zhuǎn)速值，該值會(huì)不斷地以固定周期發(fā)送到ECU的輸入存儲(chǔ)器中。很多控制單元需要瞬時(shí)轉(zhuǎn)速值信號(hào)，如組合儀表，該值由CAN總線來進(jìn)行傳遞，該值就會(huì)被發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元存儲(chǔ)器記憶下來。當(dāng)曲軸位置傳感器發(fā)出轉(zhuǎn)速信號(hào)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元接收到以后，控制噴油和點(diǎn)火，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)。數(shù)據(jù)傳遞過程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)傳遞過程

2.2.2 內(nèi)部故障管理

為了提高數(shù)據(jù)的安全性，CAN有一整套內(nèi)部故障管理系統(tǒng)。從而可以更好的識(shí)別出數(shù)據(jù)傳遞故障。無法識(shí)別故障的幾率，也就是所謂的剩余誤差概率<10-12，這個(gè)概率值相當(dāng)于每輛車在使用周期內(nèi)出現(xiàn)4次數(shù)據(jù)傳遞故障。根據(jù)廣播的原理，一個(gè)發(fā)射，在接收過程中，任何一個(gè)傳遞故障的出現(xiàn)都會(huì)被網(wǎng)絡(luò)使用者發(fā)現(xiàn)，故障被發(fā)現(xiàn)，一個(gè)信息通知就會(huì)被發(fā)送到每個(gè)使用者，這個(gè)通知稱為“錯(cuò)誤幀”。當(dāng)前信息就會(huì)被所有網(wǎng)絡(luò)使用者拒收。但是該信息不會(huì)停止發(fā)送，還會(huì)再次自動(dòng)發(fā)送一次，這是一個(gè)很正常的過程，究其原因可能是由于車上電壓不穩(wěn)定，或者是來自于車輛外部的干擾。故障會(huì)被不斷的自動(dòng)識(shí)別出來，越來越多重新發(fā)送就會(huì)出現(xiàn)，為了能夠計(jì)算發(fā)送的次數(shù)，我們可以通過網(wǎng)絡(luò)使用者內(nèi)部的故障計(jì)數(shù)器來進(jìn)行識(shí)別，在成功完成重新發(fā)送過程后計(jì)數(shù)器再遞減計(jì)數(shù)。內(nèi)部故障管理如圖3所示。

圖3 內(nèi)部故障管理原理圖

試驗(yàn)一故障分析：由于CAN線在起動(dòng)車之前已經(jīng)存在故障，這時(shí)當(dāng)轉(zhuǎn)速信號(hào)傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元時(shí)，汽車驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，無法雙線運(yùn)行，此時(shí)其他ECU無法接收到來自發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元的信息，并不斷記錄下傳遞錯(cuò)誤信息的次數(shù)，識(shí)別出數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)錯(cuò)誤，就會(huì)以故障碼的形式存儲(chǔ)在ECU中，便于維修。

試驗(yàn)二故障分析：轉(zhuǎn)速信息依然會(huì)發(fā)送至發(fā)動(dòng)機(jī)電控ECU中，但所有連接的裝置都接收發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元發(fā)送的信息，這些信息的所有數(shù)據(jù)位會(huì)產(chǎn)生并傳遞一個(gè)16位的校驗(yàn)和數(shù)，傳遞信息是否有誤我們可以通過監(jiān)控層內(nèi)所謂的CRC校驗(yàn)和數(shù)來確定。校驗(yàn)和數(shù)由接收器從所有已經(jīng)接收到的數(shù)據(jù)位中按相應(yīng)的原則計(jì)算得出。隨后接收到的校驗(yàn)和數(shù)與計(jì)算出的校驗(yàn)和數(shù)進(jìn)行比較。如信息無誤，所有連接的裝置會(huì)向發(fā)射器發(fā)送一個(gè)確認(rèn)回答，這個(gè)回答就是所謂的“信息收到符號(hào)”，它位于校驗(yàn)和數(shù)后。雖然發(fā)動(dòng)機(jī)ECU中故障碼清除，但CAN線故障依然存在，其他單元無法正常接收信息，發(fā)動(dòng)機(jī)無法起動(dòng)。信息收到符號(hào)如圖4所示。

圖4 信息收到符號(hào)

試驗(yàn)三故障分析：轉(zhuǎn)速信號(hào)傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)電控ECU，由于CAN線故障已排除，雖然之前ECU中存儲(chǔ)有故障碼，但是接下來發(fā)送的信息都是正確的，發(fā)動(dòng)機(jī)可以起動(dòng)，但是已有的故障碼不會(huì)清除。

試驗(yàn)四故障分析：發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，各控制單元，傳感器，執(zhí)行器之間通訊良好，此時(shí)CAN高線出現(xiàn)短路故障，根據(jù)數(shù)據(jù)傳遞的安全性，內(nèi)部故障管理規(guī)則，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU發(fā)送信息給其他控制單元，并且通過監(jiān)控層對(duì)這些信息進(jìn)行確認(rèn)，此時(shí)CAN線已出現(xiàn)故障，這時(shí)不斷的故障會(huì)被識(shí)別出，自動(dòng)發(fā)送的過程就會(huì)越來越多，內(nèi)部故障計(jì)數(shù)器就會(huì)發(fā)揮作用，累計(jì)識(shí)別出故障，在成功完成重新發(fā)送過程后計(jì)數(shù)器再遞減計(jì)數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元會(huì)記錄下故障信息，但考慮到行車的安全性，發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)立刻熄火。

3 結(jié)束語

筆者研究了奧迪A8CAN線故障出現(xiàn)的時(shí)間對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)的影響。研究結(jié)果表明，動(dòng)力CAN線故障如果出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前，根據(jù)汽車網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部管理理論，發(fā)動(dòng)機(jī)無法起動(dòng)。即使清除發(fā)動(dòng)機(jī)存儲(chǔ)的故障碼，而CAN線故障不排除，發(fā)動(dòng)機(jī)依然無法起動(dòng)。如果發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)起動(dòng)，CAN線出現(xiàn)故障，發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)熄火。

掌握汽車網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)脑?，?duì)我們準(zhǔn)備判斷機(jī)械故障是有很大幫助的，在維修車輛時(shí)，有時(shí)我們需要把汽車網(wǎng)絡(luò)通訊的情況和發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械出現(xiàn)的問題有機(jī)的結(jié)合起來分析。從而能夠更有效的進(jìn)行故障診斷。