基于通信协议和OSEK／VDX标准的故障诊断

张葵葵，夏富民

（1.湖南交通职业技术学院汽车工程学院，湖南 长沙 410132；2.湖南永通一汽奥迪4S店售后服务部）

车载网络系统中电控单元越来越多，要求不同的供货商提供的电控单元能进行数据交换，在严格的车用环境下，对车载网络系统的随车诊断却有其局限性：一方面，每个电控单元仅对本地通信进行监控和诊断，置出相应的本地故障码并上传到网络上共享；另一方面，当车载网络中有一处通信中断后会置出多个故障代码，而这些故障代码并没有准确的故障点解释。经销店的技师面对复杂的车载网络系统，仅靠传统的故障诊断方法，用故障代码判断故障点，根本不能精确定位故障，还会浪费时间。应从哪里下手进行故障诊断呢？德系车呈现的车载网络系统是最复杂的，本文介绍基于总线通信协议和即时作业管理系统OSEK／VDX标准对德系轿车进行故障诊断的方法。

1 CAN总线通信协议和管理标准

1.1 CAN总线底层通信协议标准

适用于 CAN网OSI参考模型的层1和层2的通信协议标准为ISO11898，见图1a，其5部分的分工是不同的，见图1b。

1.2 CAN总线故障类型

依据ISO11898－3协议，车载网络故障分成电源故障和总线故障两个主要类型。电源故障指车载网络节点本身的电源线或搭铁线断路故障，而CAN总线故障又表现为图2［1］和表1情形。故障8是不可恢复的，影响总线功能；而故障1～7、9是单线故障，是可恢复的，不影响总线功能。在正常通信时可差动接收CAN_H和CAN_L输入信号，也可以用单线传输，但单线传输模式的EMC性能抗干扰性和辐射性比差动模式差。

表1 CAN总线故障描述

以上故障类型也适用于高速CAN，但高速CAN网物理层由于内部结构限制，不能提供任何容错方法。如果出现故障，收发器内的比较器不会发送信号，也没有办法实现通信，对于上述9种情况，高速CAN只有故障3、故障4两种情况在物理层容错范围内 （故障3：在CAN_L上进行降级运行；故障4：在CAN_H上进行降级运行），其他几种情况，网络是不能运行的，并且各个电控单元之间也不可以实现通信。

低速CAN网容错物理层的电压水平也是标准化的，但其电压振幅比高速CAN网物理层的要强，这是因为速率对应更慢。低速CAN网容错物理层为故障提供一个容错功能，因为其差分电路是由3个共用模式的比较器组成的，而这3个比较器用来将CAN_H和CAN_L与参照电压进行比较。在这种情况下，3个比较器中间至少有一个总是能保持运转的。以上CAN故障情形归纳为如下类型。

1）低速CAN单线断路时的局部故障。单线断路故障是局部故障，信息只通过另一根未断线正常传输。该类故障是间歇性症状表现，有时又会显现正常。如图3所示，CAN_H线断路 （故障1），第1轮信息传输中，故障在断路点前未呈现故障征兆，在断路点后呈现故障征兆；第2轮信息传输后，症状正好相反。因通信协议ISO 11992-1规定，当节点之间通信中断超时，确认有故障后，节点之间的通信重新通过单线模式进行。出现单线断路故障时，不允许改变数据，还得保留故障信息及故障状态，在未确定出是哪根线受到影响时，各节点将信号在两根网线上重置，直到确定出未响应线为止。这种反复试验确认故障的方法仅适合节点少的条件，在节点增多后，故障查找将变得十分复杂和费时。这种单线断路故障确认模式仅适用于货车和牵引车上的低速CAN，传输速率在125kb／s。

2）CAN单线短路时的全局故障。单线短路故障是全局故障，故障状态很少改变，呈现静止故障显示。总线通信协议故障管理系统对此限制少，允许改变数据或清除。局部故障优先权高于全局故障，体现在故障管理系统对断路故障容忍度大，而对于全局故障则会尽快恢复。单线CAN_H和CAN_L对电源短路 （故障3和故障6），信号点要超出正常范围，故障易被察觉，故障管理系统将对没受影响的传输线进行初始化。依据SAE J1939／12，这种超出范围比较确认故障的方法适合于短路检测，缺点是需要辅助8 V电源，低阻抗终端，且在车辆怠速时检测结果不明显。另外，从短路故障恢复到单线运行模式后，整个系统的电磁兼容性能降低，对搭铁偏置的包容性也降低。

CAN_H搭铁短路 （故障5）与CAN_H断路 （故障1）故障现象一样，属于局部故障，而CAN_L搭铁 （故障4）故障则属于全局故障，检测这类故障常常模棱两可，需要电压除外的辅助数据参照。

3）低速CAN双线互短时的全局故障。CAN_H和CAN_L互短 （故障7）时，总线还可工作。

4）双线断路故障。双线断路，总线被隔断，总线不能正常工作。

5）终端电阻断路故障。数据传输终端是一个电阻，防止数据在线端以回声的形式反射回而影响数据的传输。一般终端电阻值约120 Ω。大众集团高速CAN使用的是分配式电阻，即每个控制单元内部的终端电阻，见图4a。高速CAN的CAN_H和CAN_L之间是通过电阻相连，彼此互相影响，所以高速CAN无法稳定单线运行 （但网关能计录单线故障码），支路总电阻维持在60 Ω左右；大众集团低速CAN控制单元的CAN_H和CAN_L之间不再通过电阻相连，而是各自搭铁或在5 V导线间，见图4b，所以低速CAN可以稳定单线运行。

终端电阻断路，依据分布式系统的特点总线还能正常工作，只是终端电控单元无法通信。

高速CAN终端电阻可以测量，如把便于拆装的控制单元从总线上脱开，然后在插头上测量CAN_H和CAN_L之间的电阻，见图5。单个电阻也可各自分开测量，应为120Ω。低速CAN电阻无法测量。

6）总线传输受干扰的3种情况：①总线信号电压过低，有搭铁倾向，通常低于+／-1V；②泄漏电阻，通常高于5kΩ；③电磁干扰，总线干扰会导致不可恢复的硬故障。

所有低速CAN单线故障都可以被检测到，故障3、4、6和7可被故障管理系统单独检测出来；故障1、2和5是被容错的，则需要辅助方法才可被检测出来。局部故障现象是暂时的，相关故障信息会变化，而全局故障呈现静态故障信息显示，便于故障位置判断。

2 车载网路的拓扑分析

基于车用即时操作系统OSEK／VDX标准，其网络管理 （NM）模块提供了与节点相关 （本地）和网络相关 （全局）的管理办法，使用逻辑环直接监控节点［1］。在逻辑环内，每个节点都有一个逻辑后继，逻辑环的第一节点是最后一个节点的后继。每个节点都由其他节点动态监控，通信次序与网络结构无关，每个节点都有一个惟一的标识符 （ID值），逻辑环信息被从最低ID值的节点向最高ID值的节点顺序传输，再返回最低ID值的节点，形成逻辑环［2］，见图6。任何节点都必须向其他节点发送信息，并且从其他节点接收信息。

画出车载网络系统的拓扑简图，依据逻辑环的功能，进行故障诊断，见图7［3］。用诊断仪检测与电控单元1、电控单元2和电控单元3的通信，图7标注的3条线表示节点间不通信，若出现多个故障代码，从网络拓扑图中分析出故障点在电控单元3与总线通信中断。

3 德系轿车CAN总线故障案例

车型：一辆一汽大众汽车公司2008年8月生产的奥迪A6L（2.0T，CVT变速器，整车型号FV7201TCVT，发动机型号BPJ）轿车，行驶了9万公里。故障现象：随速转向助力功能失效，转向沉。

故障诊断：进行自诊断，查询J520故障存储，系统无法进入；进入J533内读取数据块，显示“CE2 0”，其他系统状态正常，表明J520与J533之间的通信中断。用VAS505X测量舒适总线波形，有部分波形不正常，将J520总线断开后恢复正常，于是测量J520发出的波形，显示为高低线的波形互换了，此时测量J520与J533之间的总线连接情况，而J520的高线与舒适低线相通，其低线与舒适高线相通，说明J520处的高低线接反，按照电路图将其装复后故障消失。

经分析，此车事故维修时把J520高低线接反，导致其与总线系统无法正常通信，无法接收到车速信号，所以随速助力功能失效，转向沉。图8为奥迪A6L-2.0T转向助力无功能故障诊断网络拓扑图。

［1］ Robert Mores.Advanced Bus Failure Management for the Physical Layer of CAN［S］.1996 SAE International.

［2］ 毛亚茹.OSEK／VDX标准研究及应用［D］.吉林大学，2005.

［3］ JittiwutSuwatthikul， RossMcMurran， and R.Peter Jones.Adaptive OSEK Network Management for Invehicle Network Fault Detection［S］.Suwatthikul，J.；McMurran，R.；Jones，R.P.Vehicular Electronics and Safety，2007.ICVES.IEEE International Conference.

［4］ Timothy Robertson.Network Diagnostic Flow Chart-How to Troubleshoot Vehicle Level CAN Communication and CAN Diagnostic Issues on Nissan and Infinity Vehicles［S］.2014 SAE International.

［5］ Axel Deicke.The Electrical／Electronic Diagnostic Concept of the New 7Series［S］.2002 SAE International.