汽车CAN总线技术及故障分析

党 超

(杨凌职业技术学院 机电工程分院, 陕西 杨凌 712100)

随着汽车性能地不断提高，其电控技术也在不断地发展，这些电子控制系统之间简单的的线控连接，又影响汽车工业的发展[1]。CAN总线技术的应用，可以很好地解决这些问题，并推动着汽车电子的进一步发展[2]。CAN是一种串行通讯协议，专为可靠、高速数据通信而定[3,4]。CAN最初是由BOSCH和Intel专门为汽车内数据交换而开发的总线系统。随着技术地不断提高，其功能越来越强大[5]。因此，汽车CAN总线的研究显得越来越重要。

1 汽车CAN总线技术分析

1.1 汽车CAN总线技术特点

CAN总线是一种串行数据协议，其通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。CAN总线特点如下：

(1)实时性。CAN网络上任意一个节点可在任何时候向网络上的其他节点(在汽车上为ECU)发送信息而不分主从级别(主从的意思是：需要由作“主”的节点允许，其他作“从”的节点才可以发信息。类似于主仆关系，主人发话询问，仆人回答)，CAN总线正因为有这样通信特点，提高了整个网络的通信效率。汽车上常用的50～500 Kbps总线速率，使信息传输的实时性得到了提高。

(2)网络优先级。网络上实际同时只允许一帧报文在发送，只有一帧报文发送完毕后，总线处于空闲状态时，其他报文才可以发送。而此时如果有两个或更多个节点需要发送报文，如何判定由哪一个节点发送报文？由这些节点发送的报文ID(识别码，或理解为一串代表这个报文名字的“数字”)决定，ID(“数字”)越小，优先级越高；ID小的报文与与ID大的报文同时发送时，ID小的报文优先发出，其他未发出报文的节点转入接收状态，并同时等待下一个总线空闲。

CAN总线协议这样的设置，可以使同一个节点拥有不同的总线优先级；具体优先级可以根据报文内信息的重要性和实时性要求决定，比如发动机ECU节气门位置、电子油门踏板信息的重要性、实时性高，所在报文ID就小；水温传感器实时性要求低，所在报文ID就大。

(3)无损仲裁。在多个节点同时发送数据时，哪个节点优先发送数据是根据CAN高层协议决定的，此时就用到了CAN总线通信中的无损仲裁特性。

无损仲裁是指在多个节点同时发送数据时，优先级最高(ID最小)的节点获得总线的使用权，优先级低的节点自动退出发送，并转入数据接收状态，接收来自总线的信息，并等待总线空闲；而本身要发送的数据不会由于发送的中断而丢失或损坏。

(4)抗干扰能力强。CAN总线的硬件设计和通信采用双绞线作为通信线路(双绞线保证了2条线受到的电磁环境干扰是一样的)，提高了CAN总线通信中的抗干扰能力。

采用的CRC(循环冗余检验)校验，防止了错误CAN报文的使用，并根据CAN收发器的硬件机制，发送节点会得到没发送出去、发送错误等信息。

1.2 CAN总线的优点

(1)利用最少的传感器信号线来传递多用途的传感器信号，车辆控制更精确、智能。

(2)电控单元和电控单元插脚最小化应用，节省有限空间。

(3)线束与接头更少，故障率低，检修方便，系统稳定性高。

(4)控制器之间的数据传输较快。

(5)系统诊断能力更强。

1.3 CAN总线的应用状态

现在轿车上大多使用两种CAN总线，一种是低速CAN总线，传输速率为100 Kbps；另一种是高速CAN总线，传输速率是500 Kbps。两条扭绞在一起的导线称为双绞线，控制单元之间的数据交换就是通过这两条导线来完成的。两种CAN总线系统的应用状态的区别如下：高速CAN数据总线通过点火开关切断，或经过短时无载运行后切断；而低速CAN数据总线由常火线供电且必须保持随时可用状态。

1.4 CAN总线的电磁兼容原理

(1)抗干扰。双绞线保证外界干扰对CAN总线的两根数据线的影响基本相同，因此消除了外界的干扰影响。

(2)不干扰外界。双绞线保证CAN总线的两根数据线与外界任意一点之间的距离基本相同。由于CAN收发器发送到两根数据线上的信号成镜像关系，因此，CAN总线的H线的对外辐射和L线的对外辐射具有幅值相同、方向相反的特点。以上两点加起来使得CAN总线的两根数据线对外界任意一点的干扰影响可自行运算抵消。

1.5 CAN总线的数据传输过程

CAN总线由CAN控制器、CAN收发器、数据传输线、数据传输终端等组成。CB311的ECU(发动机控制单元)、TCU(变速器控制单元)、FEPS(无钥匙进入和无钥匙启动系统)、组合仪表四个电控单元通过CAN总线连接，CAN控制器、CAN收发器均集成在电控单元中。信息的发送过程为：转速值先被复制到发动机控制单元的发送存储器，接着，该信息从发送存储器进入数据传输总线构件的发送邮箱内，然后按协议被转换成数据传输总线的特殊格式，最后等待总线空闲下来，发动机信息就会被发送出去。信息接收过程分为两步：第一步：检查信息是否正确；第二步：检查信息是否可用。

2 汽车CAN总线故障分析

2.1 CAN总线故障产生的原因

分析CAN总线系统产生故障的原因一般有以下三种：一类是电源故障；一类是节点故障；一类是链路故障。电源故障一般指电压超过正常电压，导致系统无法正常工作。节点故障一般包括两种故障，一是软件故障：传输协议或软件程序有缺陷或冲突，一般成批出现、无法维修；二是硬件故障：通信芯片或集成电路损坏，一般单独出现，更换电控单元并重新自适应匹配软件。链路是指各节点间的通信连接路，链路故障包括：短路、断路和线路因物理性质改变而引起的通信讯号衰减或失真。

2.2 CAN总线故障的一般诊断步骤

(1)装有CAN总线多路信息传输系统的车辆出现故障，应首先检测数据总线是否正常。

(2)在检查数据总线系统前，必须保证所有与数据总线相连的控制单元无功能故障。

(3)如果存在功能故障，先排除故障代码，记下该故障并消除所有控制单元的故障代码。

(4)排除所有功能故障后，如果控制单元间数据传递仍不正常，检测数据总线系统。

2.3 CAN总线故障的类型

(1)故障类型-ECU。CAN总线在汽车上使用的目的主要是为了实现信息的快速、实时共享，所以在通过CAN总线联网的ECU出现故障时，会影响到其他需要这些信息的ECU单元出现相关故障。

案例:某配置有随动转向大灯、自动变速器的车型，由于大灯损坏，导致自动变速器只有低速挡，仪表显示需要去服务站。在换掉损坏的大灯，清除故障码后故障排除。

原因：随动转向大灯电脑将故障信息发送到了车载网络，自动变速器采用了该故障信息，认为大灯损坏情况下以高速行驶将会有潜在的危险，所以将自动变速器换挡限制在低速挡，仪表接收到该信息后，提示驾驶员去服务站。

(2)故障类型-网关。网关是现在很多高级轿车上常用的配置，网关一般和车载电网单元做在一起，成为一个电脑，在网关完全损坏后，将可能会导致以下问题：一是，诊断仪不能进入经过网关与诊断仪连接的所有电脑；二是，不能进入网关；三是，发动机不能运行。

3 结 论

汽车CAN总线作为汽车中大量电子部件以及各控制单元之间数据传递的传送通道，其性能的好坏对汽车的影响越来越大。本文对汽车CAN总线的技术特点、优势、应用状态及传输过程进行了分析，也分析了汽车CAN总线故障产生的原因、故障的类型及故障的一般诊断步骤。通过本文的研究，为汽车CAN总线的进一步研究提供一定的理论基础。