基于波形分析的轿车CAN-BUS系统故障诊断研究

2015-04-05张学涛狄恩仓

河南科技 2015年19期

张学涛狄恩仓

（中州大学机电与车辆工程学院，河南郑州 450044）

汽车控制单元的数量在不断地上升，控制单元数量的增加，使得它们之间的信息交换也越来越密集［1］。而CAN数据总线可提供特殊的局域网，为汽车的集群控制器单元进行密集数据交换。汽车CAN（Controller Area Network）总线，称为控制单元的局域网，它是车用控制单元传输信息的一种传送形式。

1 Can-bus的日趋普及

以大众汽车集团为例，于1997年率先在PASSAT的舒适系统上采用了传送速率为62.5Kbit/s的Can-bus，2001年，大众集团公司进一步提高了Can-bus的设计标准，将舒适系统Can-bus提高到100Kbit/s，驱动系统提高到 500Kbit/s，2003年，大众集团公司在新PQ35平台上使用五重结构的Can-bus系统，及单线的LIN-BUS。目前大众在华销售所有车型均采用CAN数据总线网络。

图1 轿车CAN数据总线网络

图2 Can-bus系统组成

2 轿车Can-bus系统的结构

Can-bus系统由CAN收发器、数据传输终端和数据传输线组成（如图2所示）。CAN收发器安装在控制器内部，同时兼具接收和发送的功能，将控制器传来的数据化为电信号并将其送入数据传输线。数据传输终端是一个电阻，防止数据在线端被反射，以回声的形式返回，影响数据的传输。数据传输线是双向数据线，由高低双绞线组成。CAN数据总线的两条导线分别叫CAN-High和CAN-Low线。两条扭绞在一起的导线称为双绞线。各个CAN系统的所有控制单元都并联在CAN数据总线上。

Can-bus采用双绞线自身校验的结构，如图3所示，这样既可以防止电磁干扰对传输信息的影响，也可以防止本身对外界的干扰。系统中采用高低电平两根数据线，控制器输出的信号同时向两根通讯线发送，高低电平互为镜像。并且每一个控制器都增加了终端电阻，以减少数据传送时的过调效应。

图3 自身校验结构的双绞线

目前轿车上的网络连接方式主要采用2条CAN。一条用于驱动系统的高速CAN，速率达到500kb/s，主要面向实时性要求较高的控制单元，如发动机、电动机等；另一条用于车身系统的低速CAN，速率是100kb/s，主要是针对车身控制的，如车灯、车门、车窗等信号的采集以及反馈，其特征是信号多，但实时性要求低，因此实现成本要求低。

由于不同区域Can总线的速率和识别代号不同，因此一个信号要从一个总线进入到另一个总线区域，必须把它的识别信号和速率进行改变，能够让另一个系统接收，这个任务由网关（Gateway）来完成。另外，网关还具有改变信息优先级的功能。

图4 CAN数据总线网络区域

3 示波器波形分析

当Can-bus数据总线系统出现故障时，如：通讯线路短路、断路以及线路物理性质引起的通讯信号衰减或失真，都会引起多个电控单元无法工作或控制系统错误动作。判断是否为数据总线故障时，可采用示波器来观察通讯数据信号是否与标准通讯数据信号相符。

4 CAN数据总线典型故障及示波器分析

在CAN-BUS上，信息传递是通过两个一进制逻辑状态0（显性）和1（隐性）来实现的，每个逻辑状态都对应于相应的电压值控制单元，利用两条线上的电压差来确认。

4.1 典型故障1：Can-Low断路

图5 Can-Low断路故障

图6 Can-Low断路故障波形

从波形图上可看出，Can-Low的波形为一条直线，说明Can-Low的电压基本不变，观察Can-Low一直处于高电平电压。结合CAN收发设备内部电路（如图7所示），Can-Low电路上有上拉电阻，如果Can-Low一直为高电位，则Can-Low为“+”电压，可判断出Can-Low处于断路状态。

4.2 典型故障2：Can-High断路

波形图显示Can-High的波形为一条直线，说明Can-High的电压基本不变，而观察Can-High一直处于低电平电压。结合CAN收发设备内部电路（如图7所示），Can-High电路上有下拉电阻，如果Can-High一直处于低电平电压，则Can-High为接地，可判断出Can-High处于断路状态。