汽車驅(qū)動CAN 總線系統(tǒng)原理及故障診斷分析

李啟凱，曾少華

（周口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 周口 466000）

0 引言

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車上的控制模塊及相關(guān)的電子設(shè)備越來越多，在計算機電子應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)上，汽車技術(shù)也逐漸向智能化和網(wǎng)聯(lián)化方向發(fā)展[1]。汽車電氣裝置越來越多，汽車上的線束布置越來越復(fù)雜，不管是從制造成本、故障率還是從汽車輕量化方面來說，都要求模塊之間的通信進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。目前，普遍采用一種CAN 總線技術(shù)組成汽車通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這是一種既能保證經(jīng)濟(jì)性，又能保證可靠性的做法[2]。

然而，對于汽車CAN 總線系統(tǒng)的研究還比較少，并且每一款車的CAN 總線結(jié)構(gòu)組成都不盡相同，這就要求汽車維修人員必須清晰地理解汽車CAN 總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和通信原理，掌握CAN 總線的常見故障類型及分析、診斷、檢修方法[3]?；诖?，本文以驅(qū)動CAN 總線系統(tǒng)為例，分析了邁騰B8L 和現(xiàn)代名圖兩款車型的驅(qū)動CAN 總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成，并就現(xiàn)代名圖車型的實際故障案例進(jìn)行了診斷分析。

1 汽車CAN總線的結(jié)構(gòu)及信號特征

1.1 CAN通信的傳輸特點

汽車CAN 通信總線將汽車上各控制模塊通過串行口連接，從而實現(xiàn)了各相關(guān)單元之間的信息通信，具備實時傳輸、抗干擾性能強、低成本等特點[4]。在實際應(yīng)用中，分為高速CAN 和低速CAN。高速CAN主要用于發(fā)動機控制、變速器控制、安全氣囊系統(tǒng)、電動助力轉(zhuǎn)向控制等模塊之間的信息傳輸，其傳輸速率為500 kbps；低速CAN 主要用于儀表盤、空調(diào)控制、智能鑰匙、照明控制、雨刷控制、故障診斷等模塊之間的信息傳輸，其傳輸速率為125 kbps[5]。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)IS0 11898，CAN 總線系統(tǒng)中各控制模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時沒有主從之分，當(dāng)多個控制模塊同時發(fā)送信息時，可以通過發(fā)送標(biāo)識符來進(jìn)行優(yōu)先權(quán)仲裁，標(biāo)識符由狀態(tài)域中標(biāo)準(zhǔn)幀下的11 位編碼組成。基于此，各控制單元就可以通過發(fā)送標(biāo)識符來下達(dá)指令，讓信息傳遞有條不紊，不至于發(fā)生沖突[6]。

1.2 CAN通信總線的結(jié)構(gòu)及信號特征

CAN 通信總線由各個控制模塊、兩條數(shù)據(jù)傳輸線、兩個數(shù)據(jù)傳輸終端組成。每個控制模塊內(nèi)部都包含控制器和收發(fā)器，收發(fā)器將該控制模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)傳輸線中，并接收數(shù)據(jù)傳輸線中其他模塊發(fā)出的信息，而控制器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換分析和處理。兩條數(shù)據(jù)傳輸線是一對雙絞線，分別被標(biāo)識為CAN-H 和CAN-L，這種雙絞線的纏繞形式主要是為了防止電氣設(shè)備電磁波的干擾，保證通信信息的保真和有效。數(shù)據(jù)傳輸終端是一個120 Ω 的電阻，兩個數(shù)據(jù)傳輸終端串口行連接后的總電阻為60 Ω，它們的作用是消耗通信數(shù)據(jù)信號的能量，防止不同時刻數(shù)據(jù)之間的相互干擾[7]。

CAN 總線的標(biāo)準(zhǔn)信號波形可以通過示波器進(jìn)行測量，現(xiàn)代名圖車型的驅(qū)動CAN 總線系統(tǒng)的信號波形如圖1所示。當(dāng)CAN總線的兩條線路處于靜止?fàn)顟B(tài)時，CAN-H 和CAN-L 信號線未被激活，在此狀態(tài)下兩條數(shù)據(jù)傳輸線的電壓均為2.5 V。當(dāng)CAN信號線被激活時，CAN-H數(shù)據(jù)傳輸線路電壓被拉高至約3.5 V，CAN-L數(shù)據(jù)傳輸線路電壓被拉低至約1.5 V[8]。

圖1 現(xiàn)代名圖車型的驅(qū)動CAN信號波形

2 驅(qū)動CAN總線系統(tǒng)案例

2.1 邁騰B8L驅(qū)動CAN總線系統(tǒng)

邁騰B8L 車型的驅(qū)動CAN 總線系統(tǒng)原理如圖2所示，該通信系統(tǒng)分為部分A 和部分B。部分A 由J533 數(shù)據(jù)總線診斷接口、E313 選擋桿和J234 安全氣囊控制單元組成，部分B 由J623 發(fā)動機控制單元、J743 雙離合器變速箱機電裝置和V475 變速箱油輔助液壓泵1 組成。部分A 和部分B 通過TIUL 連接器連接，TIUL在車內(nèi)的下部左側(cè)連接位置。

圖2 邁騰B8L驅(qū)動CAN總線系統(tǒng)

以A 部分為例，其中，J533 通過T20e/16 和T20e/6 管腳分別接入CAN-H 和CAN-L 線路；E313通過T10ah/7 和T10ah/8 管腳分別接入CAN-H 和CAN-L 線路；J234 通過T90e/89 和T90e/90 管腳分別接入CAN-H和CAN-L線路。

2.2 現(xiàn)代名圖驅(qū)動C-CAN總線系統(tǒng)

現(xiàn)代名圖車型的驅(qū)動C-CAN 總線系統(tǒng)原理如圖3 所示，該通信系統(tǒng)分為部分A、部分B、部分C 和部分D。部分A 由PCM（變速器控制模塊）和ECM（發(fā)動機控制模塊）組成，部分B 由多功能檢查連接器、ABS（防抱死制動系統(tǒng)）控制模塊和ESP（電控穩(wěn)定程序系統(tǒng)）控制模塊組成，部分C 由智能鑰匙控制模塊、空調(diào)控制模塊、MTS（移動電視系統(tǒng)）模塊、輪胎壓力監(jiān)測模塊、診斷連接器、方向盤轉(zhuǎn)角速度傳感器、MDPS（電機驅(qū)動動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)）模塊和SRS（安全氣囊系統(tǒng)）控制模塊組成，部分D 由儀表盤和牌照燈（行李箱蓋開關(guān)）/后視攝像頭組成。部分A 和部分B 通過EC11（前線束至控制線束連接）連接器連接，部分B 和部分C 通過EM61（前線束至主線束連接）連接器連接，部分C 和部分D 通過MF11（主線束至底板線束連接）連接器連接。

圖3 現(xiàn)代名圖驅(qū)動C-CAN 總線系統(tǒng)

以B 部分為例，其中，多功能檢查連接器通過E01/9 和E01/17 管腳分別接入CAN-H 和CAN-L 線路；ABS 控制模塊通過E02/26 和E02/14 管腳分別接入CAN-H 和CAN-L 線路；ESP 控制模塊通過E03/26和E03/14管腳分別接入CAN-H和CAN-L線路。

3 驅(qū)動CAN總線系統(tǒng)診斷檢修

驅(qū)動CAN 總線故障導(dǎo)致的車輛無法掛擋現(xiàn)象比較普遍，原因較難排查，下面以2016 款現(xiàn)代名圖汽車為例，說明驅(qū)動CAN通信故障的診斷與檢修方法。

3.1 故障現(xiàn)象

車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)，對車輛進(jìn)行正常啟動操作。使用遙控鑰匙打開車門后，進(jìn)行一鍵啟動，發(fā)現(xiàn)汽車儀表能夠正常點亮，ABS 防抱死警告燈、發(fā)動機自檢提示燈、電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)警告燈、SRS 安全氣囊警告燈點亮。發(fā)動機怠速聲音不穩(wěn)定，擋位無法正常切換。故障車輛儀表顯示如圖4所示。

圖4 現(xiàn)代名圖驅(qū)動CAN總線故障儀表顯示

3.2 故障分析

結(jié)合車輛啟動流程，對車輛故障現(xiàn)象進(jìn)行分析。踩下制動踏板，打開點火開關(guān)，各控制模塊會先進(jìn)行低壓通電，然后進(jìn)行車輛自檢，自檢無誤后儀表盤上各警告燈消失。據(jù)此分析，啟動流程中控制模塊自檢無法通過。發(fā)動機啟動后，車輛儀表上轉(zhuǎn)速表指針不動，換擋桿位置指示燈不亮，轉(zhuǎn)動方向盤發(fā)現(xiàn)一定助力，MTS 移動電視系統(tǒng)正常，空調(diào)系統(tǒng)正常，因此判斷可能是驅(qū)動CAN 總線故障，各模塊自檢信息無法通信，從而無法完成車輛自檢。

踩下制動踏板，打開點火開關(guān)，將解碼儀連接0BD 口，訪問C-CAN 總線系統(tǒng)。如圖5 所示，解碼儀無法讀取C-CAN總線系統(tǒng)中各模塊數(shù)據(jù)流和故障碼。

圖5 現(xiàn)代名圖驅(qū)動CAN總線故障解碼儀顯示

根據(jù)解碼儀顯示分析結(jié)果，無法讀取C-CAN 總線系統(tǒng)中各模塊數(shù)據(jù)流和故障碼的原因可能有驅(qū)動C-CAN總線斷路、短路或虛接等。

3.3 故障診斷與處理

故障診斷一般遵循由易到難的原則。根據(jù)現(xiàn)代名圖驅(qū)動C-CAN 總線系統(tǒng)原理圖進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)C-CAN 總線系統(tǒng)各控制模塊的接插件沒有出現(xiàn)脫落和松動現(xiàn)象[9-10]。打開點火開關(guān)，使車輛處于ON 狀態(tài)，采用2 通道示波器分別測量診斷連接器的M13/3管腳（C-CAN 高電位）和M13/11 管腳（C-CAN 低電位）對M13/5 管腳（底盤搭鐵）的電位差。正常情況下，C-CAN 高電位在靜止和激活狀態(tài)對搭鐵的電位差分別為2.5 V 和3.5 V，C-CAN 低電位在靜止和激活狀態(tài)對搭鐵的電位差分別為2.5 V 和1.5 V，如圖1所示。實際測得C-CAN 高電位在靜止?fàn)顟B(tài)下的電位差為0，在激活狀態(tài)下的電位差從3.5 V 被拉低至0；C-CAN 低電位在靜止?fàn)顟B(tài)下的電位差為0，在激活狀態(tài)下的電位差從1.5 V 被拉低至0。驅(qū)動CAN 總線故障波形如圖6所示。

圖6 驅(qū)動CAN 總線故障波形

采用多功能萬用表的電壓檔測M13/3 管腳和M13/11 管腳對M13/5 管腳的電壓值分別為0.05 V 和0.13 V，如圖7所示。

圖7 驅(qū)動CAN 總線對搭鐵的電壓

斷開點火開關(guān)，使車輛處于OFF 狀態(tài)，斷開低壓蓄電池負(fù)極，采用多功能萬用表歐姆檔測得M13/3管腳和M13/11 管腳之間的電阻值為61.3 Ω；采用多功能萬用表通斷檔測M13/3 管腳和M13/11 管腳對M13/5 管腳的通斷，結(jié)果為M13/3 管腳與M13/5 管腳導(dǎo)通，M13/11管腳與M13/5管腳斷開，由此進(jìn)一步判定故障為驅(qū)動CAN總線故障的CAN-H對地短路。

可以繼續(xù)采用示波器排查具體故障點的位置，也可以采用多功能萬用表排查，本研究采用萬用表對具體故障點進(jìn)行進(jìn)一步排查。將EC11（前線束至控制線束連接）連接器、EM61（前線束至主線束連接）連接器和MF11（主線束至底板線束連接）連接器依次斷開，采用萬用表通斷檔測量診斷連接器C-CAN 高電位管腳與搭鐵管腳之間的通斷，結(jié)果為當(dāng)MF11 連接器斷開后，C-CAN 高電位與搭鐵不再導(dǎo)通，故障現(xiàn)象消失。而后通過插拔模塊，進(jìn)一步確定故障位置為儀表盤或者牌照燈（行李箱蓋開關(guān)），當(dāng)接上MF11連接器，斷開F41 牌照燈（行李箱蓋開關(guān)）接插件，故障現(xiàn)象消失，最終確定故障點為牌照燈旁的后視攝像頭，發(fā)現(xiàn)后視攝像頭進(jìn)水，導(dǎo)致CAN-H對地短路。

3.4 故障恢復(fù)

確定故障點后，對后視攝像頭進(jìn)行修復(fù)或者更換。更換攝像頭后對車輛進(jìn)行啟動，車輛能夠正常完成自檢，儀表無故障指示燈點亮，可掛擋進(jìn)行正常行駛。

4 結(jié)語

本文介紹了汽車驅(qū)動CAN 總線系統(tǒng)的基本原理，詳細(xì)介紹了邁騰B8L 和現(xiàn)代名圖汽車的驅(qū)動CAN 總線系統(tǒng)回路的結(jié)構(gòu)和特點。并以現(xiàn)代名圖為例，闡明了驅(qū)動CAN 總線系統(tǒng)檢修的方法和流程，為售后維修人員提供了汽車驅(qū)動CAN 總線系統(tǒng)故障的維修解決方案，在一定程度上解決了汽車維修難的問題，有利于促進(jìn)汽車CAN通信的推廣和使用。