浅谈汽车CAN总线技术及其故障诊断方法

何科宇，莫圣海，陈良忠

（上海中锐教育投资股份有限公司，上海200335）

0 引言

随着计算机科学和电子科技技术的逐步提高，现代汽车对于使用者来说已不单纯只是一个交通工具，汽车同时还需承担着更多的使用便利功能。使用者需求的日益增加，也推动了汽车技术在不断革新，大量的控制单元在汽车上应用，加剧了集中控制和分散控制的矛盾，同时使线束由简单变成了复杂，车辆维修也由此变得困难复杂。随着CAN总线系统的出现，它有效地解决了汽车控制单元与控制单元之间的数据交换问题。CAN是控制单元通过网络进行数据交换的一种通信方式，即控制器局域网络。在对汽车CAN总线系统检测维修过程中，作为一名汽车维修人员必须在理解其结构组成和工作原理的基础上，掌握CAN总线系统的故障类型分析及检修方法。

1 汽车CAN总线系统的组成与分类

汽车 CAN总线系统主要由CAN控制器、CAN收发器、两根数据传输线和两个数据传输终端四部分组成，如图1所示。

图1 CAN总线系统的组成

（1）CAN控制器

CAN控制器的主要作用为：一方面接收控制单元微处理器传来的数据，处理数据并将数据传往CAN收发器；另一方面CAN控制器也要接收由CAN收发器传来的数据，处理数据并将其传往控制单元微处理器，以便控制单元对数据进行确认。

（2）CAN收发器

CAN收发器对外具有接收与发送两部分功能。发送时它将由CAN控制器传来的数据翻译成电压信号并将其送入两根数据传输线。接收时它能将数据传输线上的电压信号翻译成相应的数据并将其传往CAN控制器，以便CAN控制器进行数据处理再发往控制单元微处理器。

（3）数据传输终端

数据传输终端的作用主要是为了防止数据传输过程中在线端出现反射，干扰数据的正常传输。常见的汽车CAN总线数据传输终端为两个120 Ω的电阻，也称为CAN总线终端电阻。

（4）数据传输线

为了高效地传输数据避免通讯信号被干扰，CAN总线的数据传输线采用了双绞线，分别将CAN-H和CAN-L两条线缠绕在一起，构成了一个封闭的传输通道，使车内外的电磁场对CAN总线的干扰降到最低，同时CAN总线向外辐射也保持最小[1]。

目前汽车上的CAN总线系统主要分为高速CAN总线和低速CAN总线2类。高速CAN总线，速率可以达到500 kb/s，它主要面向通讯实时性要求较高的控制单元，例如汽车牵引力控制、ABS/EDL控制和自动变速器控制等；低速CAN总线，速率一般为100 kb/s，其特征是信号多但通讯实时性要求低，它主要是针对汽车车身控制，例如车灯控制、门锁控制和车窗升降控制等信号的采集及反馈，实现成本要求低。以大众速腾为例如图2所示：高速CAN主要用来控制汽车动力系统方面的控制单元所以也叫驱动CAN；低速CAN可以用来控制车窗、车门或是娱乐系统等控制单元，所以低速CAN又可以分为舒适CAN和娱乐CAN.

图2 大众速腾CAN总线系统的拓扑

2 汽车CAN总线系统的工作原理

汽车CAN总线系统的工作原理主要是汽车控制单元之间的数据信息共享。例如汽车的发动机控制单元向汽车CAN总线系统中发送一个数据，其他连接在CAN总线系统上的控制单元均能接收到这一数据，如果数据对汽车的控制单元有作用，就会被接收和处理并执行相应指令，若对控制单元无用，控制单元则忽略这些数据。由此可见，控制单元向CAN总线系统共享的数据没有指定的接收者，所有连接在系统上的控制单元均能接收到数据。具体的传输可分为以下五步。

（1）数据采集：各控制单元的微处理器采集传感器的信息，并向CAN控制器发送数据。

（2）数据发送：CAN收发器接收从CAN控制器发来的数据，并将其翻译为电压信号发往数据传输线，此时连接在数据传输线上的控制单元均能接收到数据。

（3）数据接收：所有连接在数据传输线上的控制单元通过各自的收发系统将数据传输线上的电压信号翻译成为对应的数据。

（4）数据检验：接收到数据的控制单元对数据进行检验，检验数据格式是否正确，检验数据是否为该控制单元所需要的。

（5）数据认可：如果接收到的数据格式是正确的，并且为该控制单元所需要的，数据就会被控制单元的微处理器接收并处理，反之不予理会[2]。

3 CAN总线常见的故障类型分析

目前大多数汽车上都采用CAN总线系统，对CAN总线系统故障的诊断，应该根据不同车系的CAN总线网络拓扑进行具体分析。一般来说，常见造成汽车CAN总线系统产生故障的原因可大致分为三大类型：

（1）供电系统故障

目前连接在CAN总线系统上的控制单元的工作电压一般在10.5 V～15 V这个范围内。如果供电系统提供的工作电压小于10.5 V，车上的某些控制单元将会停止工作，如果供电大于15 V则控制单元将会烧坏，两种情况均会使控制单元在CAN总线系统上无法通讯。

故障实例分析：一辆上海大众polo1.6 L，2004年10月出厂，在车辆行驶过程中，突然熄火，然后再也没法启动。用KT600故障诊断仪读取发动机控制单元故障时，发现诊断仪无法进入发动机控制单元，尝试了三次均无法进入，怀疑诊断仪链接异常。接着尝试用诊断仪进入自动变速器控制单元来测试诊断仪是否链接异常，结果发现诊断仪可以进入，于是判断为发动机控制单元故障。用诊断仪进入网关数据诊断接口模块检测故障，发现发动机控制单元未通讯故障，故障码清除不了，分析可能是控制单元供电、搭铁或是控制单元硬件故障，用替换法更换发动机控制单元后故障仍未排除。随后检测发动机控制单元的搭铁，搭铁正常，检测供电时发现保险有12 V电压，但到控制单元对应的端口却为0 V电压，所以断定为保险到控制单元之间的线路问题。取下保险发现保险有烧蚀的痕迹，观察保险插座发现插座间隙过大也有烧蚀的痕迹。经询问得知，车辆在安装行车记录仪时安装师傅从保险盒取常电，所以保险插座间隙过大很有可能为安装行车记录仪取电时不小心导致的，保险接触不良时间久了导致保险烧蚀，从而导致控制单元不供电，修理保险插座换上新保险故障排除。

（2）控制单元故障

CAN总线系统的控制单元故障可以分为软件故障和硬件故障。软件故障一般发生在维修过程当中的误操作导致硬件重新编码，因为硬件重新编码一般需要几个步骤，维修误操作的概率很小，所以软件故障很少发生。控制单元故障常见是硬件故障，一般由于芯片或集成电路中的电阻、电容或是三极管故障造成的，这种故障一旦出现，会造成控制单元无法工作从而影响CAN总线系统正常工作。

故障实例分析：一辆上海大众POLO，2008年4月出厂，仪表不亮，钥匙打到启动挡汽车起动机无响应，经询问客户反映汽车车窗时常不能控制，每次车窗不能控制时，客户自行断开车载网络控制单元（BCM）从新连接后车窗控制恢复正常。用KT600故障诊断仪试图读取全车故障时，发现诊断仪与诊断系统建立不了通讯，结合客户的反映和仪表不亮故障现象，分析认为可能是车载网络控制单元故障导致集成在里面的网关不工作，从而使诊断仪与汽车诊断系统建立不了通讯，用替换法更换车载网络控制单元后故障消失，车辆能正常启动，诊断仪能进入系统，系统无故障。此类故障发生的原因极有可能是客户在蓄电池负极未断开或是点火开关未关的情况下，反复拆装车载网络控制单元，从而导致车载网络控制单元内部硬件故障。

（3）CAN总线系统链路故障

当CAN总线数据传输系统的链路出现故障时，例如：数据传输线对地短路、对电源短路、断路和线路物理性质改变引起的通讯信号失真或衰减，均会引起一个或多个控制单元同时无法工作，CAN总线系统不能通讯等故障。判断是否为链路故障，一般采用示波器加专用诊断仪结合读取通讯数据，采集通讯波形并与标准的数据进行对比。主要的方法有波形检测和终端电阻的测量。

1）波形检测

在CAN总线系统中维修人员可以利用示波器对双绞线进行检测，采集两根线中的波形进行分析，通过采集到的波形与标准的波形进行对比分析很容易找出故障原因。

故障实例分析：一辆大众朗逸轿车，2003年8月出厂，偶尔无法启动，仪表上时常不显示。用KT600诊断仪进行诊断时，发现传动系数据总线不良故障，因为该故障为偶发性的，怀疑是驱动总线链路故障，导致汽车的驱动系统无法正常工作，用KT600通用示波模块在驱动CAN-H和CAN-L分别接入示波器进行波形采集，通过与标准波形对比分析后发现CAN-H线有对地短路的现象，于是逐步排查连接在驱动CAN总线系统上的各个控制单元，当排查到发动机控制单元时，发现发动机控制单元线束与雨刮臂有干涉，线束内的CAN-H线的绝层在雨刮的往复运动中被磨破了，导致与车身接触形成对地短路，重新包好破损的线束并固定好发动机控制单元故障排除。

2）终端电阻的测量

CAN总线的终端电阻一般安装在CAN总线系统头尾两个控制单元内，两者处于并联状态，在正常工作状态下总线系统的总电阻值应在60 Ω左右 ，单个终端电阻值应为120 Ω.当总线系统出现断路故障时，维修人员可以在断开蓄电池负极的情况下对终端电阻进行测量，如果拔掉一根终端电阻后，检测到阻值无穷大，则说明CAN总线系统出现了断路现象[3]。在维修过程当中通过对终端电阻的测量，可以快速地确定CAN总线系统的故障原因，为维修提供了方便快捷的诊断途径。

4 结束语

综上所述，汽车CAN总线系统作为现阶段汽车应用最广的总线系统，它的出现使汽车控制单元之间实现了数据共享的信息化发展，全面提升了车辆的各方面性能，同时，也促进了维修人员的技术水平提升。未来汽车的发展趋势是实现全面自动控制，这将是汽车总线系统的又一次飞跃，维修人员只有不断地学习和掌握CAN总线系统，才能更好的将其故障诊断方法运用到汽车维修检测中，为维修业做出相应的贡献。

参考文献：

[1]钱 强，王立忠.汽车网络结构与检修[M].北京：清华大学出版社，2015.

[2]Konrad Reif（德），译者孙泽昌.BOSCH汽车电气与电子[M].中文第2版，德文第6版，北京：北京理工大学出版社，2014.

[3]罗振华，蒋 芬.汽车CAN总线技术及其检测维修[J].现代经济信息，2014（09）：387.