■ 成智華

控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）總線在車輛控制網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用，家用汽車、大型公交客車、貨運卡車尤其是電動車內(nèi)均使用CAN網(wǎng)絡(luò)，CiA（CAN in AUTOMATION）協(xié)會為CAN總線通信提供一系列的協(xié)議和技術(shù)支持。CAN總線的實時性、可靠性和穩(wěn)定性對于整個控制系統(tǒng)信息傳遞至關(guān)重要。CAN總線憑借其低成本、高可靠性、高可擴(kuò)展性等特點，在輕軌車輛上逐步被應(yīng)用。輕軌車輛在使用網(wǎng)絡(luò)通信時，通信數(shù)據(jù)量小，通信實時性要求相對于高速列車要低，因此，CAN總線完全能夠滿足輕軌車輛的網(wǎng)絡(luò)通信要求。在實際工程應(yīng)用中，CAN網(wǎng)絡(luò)會遇到一些問題導(dǎo)致通信異常，對于網(wǎng)絡(luò)要求比較高的車輛，通信異常將嚴(yán)重影響車輛正常功能。在此，從CAN總線組成出發(fā)，研究影響CAN網(wǎng)絡(luò)通信的主要因素，通過對CAN總線原理的分析，提出保證和提高CAN網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的措施。

1 CAN總線常見故障與原因分析

1.1 常見故障

根據(jù)實際工程項目的歸納總結(jié)，CAN總線常見故障表現(xiàn)如下：（1）網(wǎng)絡(luò)中斷。整個CAN總線網(wǎng)絡(luò)癱瘓，各電子控制單元（ECU）控制器采集不到總線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。（2）丟包。在一定時間內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)膱笪拈g隔性丟失，數(shù)據(jù)不完整。（3）網(wǎng)絡(luò)錯誤幀。在總線上檢測到較多的錯誤幀，引起網(wǎng)絡(luò)負(fù)載異常。錯誤幀達(dá)到一定比例時，影響正常通信。（4）報文周期不穩(wěn)定。相同ID（CAN總線中用于標(biāo)記報文的標(biāo)識）報文發(fā)送時，周期波動較大，影響網(wǎng)絡(luò)通信實時性。

1.2 故障原因分析

CAN總線通信問題多由物理層的電氣原因引起[1]。因此，要分析CAN總線故障的原因，首先要了解CAN總線的電氣組成及其通信機(jī)制，CAN總線的電氣組成見圖1。電氣組成包括通信節(jié)點、連接器、通信線和終端電阻。通信線可使用雙絞線、單層屏蔽雙絞線或雙層屏蔽雙絞線。CAN總線使用差分信號進(jìn)行通信，使用雙絞線將所有節(jié)點的CAN_H和CAN_L連接起來即可進(jìn)行通信。在遠(yuǎn)距離傳輸和強(qiáng)電磁環(huán)境下，為提高通信質(zhì)量可將CAN_GND、CAN_SHEILD連接起來，CAN_GND作為參考信號地，CAN_SHEILD作為屏蔽地通過RC電路進(jìn)行懸浮接地。通信節(jié)點由微控制器、CAN控制器（部分CAN控制器被集成在處理器中）和CAN收發(fā)器及外圍電路組成。CAN控制器按照一定的協(xié)議規(guī)則將數(shù)據(jù)通過收發(fā)器在總線上進(jìn)行發(fā)送和接收。通信節(jié)點通過連接器與通信線進(jìn)行連接。終端電阻安裝在總線兩端，用于防止信號反射，快速釋放總線電流，提高通信質(zhì)量。在出現(xiàn)CAN總線故障時，通過對CAN總線的電氣組成進(jìn)行分析，可逐步排查出引起網(wǎng)絡(luò)通信故障的原因。

1.2.1 終端電阻

CAN總線上的終端電阻主要有2個作用，一是吸收信號反射的回波，二是穩(wěn)定和增強(qiáng)信號差分電壓，快速釋放總線電流。信號傳輸如同水流，當(dāng)遇到開口或分支時就會產(chǎn)生反射，引起信號反射的主要原因是阻抗不連續(xù)和不匹配。阻抗不連續(xù)主要是由于連接器選型不統(tǒng)一；阻抗不匹配主要是因為在總線傳輸線兩端，CAN_H和CAN_L相當(dāng)于開路，線路阻抗急劇變化，導(dǎo)致信號在線路邊沿能量反射，與初始總線信號疊加，產(chǎn)生振鈴。在總線末端增加與線纜特征阻抗一致的終端電阻可以吸收信號反射的這部分能量。終端電阻值的大小與總線長度有關(guān)，總線長度在2 km以內(nèi)時選擇1/4 W、精度為1%的精密電阻124 Ω；長度大于2 km時，需進(jìn)行匹配，用示波器觀察，差分電壓大于1．3 V波形良好時即可。終端電阻選擇過小，在控制器驅(qū)動能力一定時，驅(qū)動電流一定，總線由隱性進(jìn)入顯性時的差分電壓會變低（CAN波形幅值過?。?，當(dāng)?shù)陀?．9 V時，收發(fā)器無法識別總線電平信號，則無法進(jìn)行通信。終端電阻過大時（不接電阻相當(dāng)于無窮大），相當(dāng)于開路，很小能量的外部噪聲會使總線從隱性進(jìn)入顯性，抗干擾能力差?？偩€上完全缺少終端電阻時，數(shù)據(jù)通信的可靠性和抗干擾性能將會明顯降低，尤其是在現(xiàn)場環(huán)境較為惡劣時，總線甚至無法完成通信。而如果總線只使用1個終端電阻反而會使信號反射更加嚴(yán)重。

終端電阻推薦采用板內(nèi)分接的方式，不推薦在線束上分接。終端電阻使用單體終端時，阻值推薦120（1±2%）Ω；采用分裂終端接法時，阻值推薦62（1±2%）Ω，接地電容選擇4．7～47．0 μF。標(biāo)準(zhǔn)分裂終端電阻接法見圖2。在電磁干擾（EMI）影響較大的環(huán)境中，可采用H橋式終端電阻接法（見圖3），通過穩(wěn)定隱性共模電壓來提高EMC性能[2]。兩端終端電阻接地在高頻時，可能產(chǎn)生環(huán)流，因此，在中低頻時可考慮采用終端電阻分裂接地方案。

1.2.2 連接器

E N 50325-4：2002 C A N o p e n[3]網(wǎng)絡(luò)規(guī)范對CAN總線連接器進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，規(guī)范推薦使用DB9或M12接口，并對引腳進(jìn)行定義。在CiA 303[4]中，推薦了較多種類的連接器。連接器需滿足阻抗連續(xù)的要求。在工程上可采用以下經(jīng)驗公式計算出連接器的特征轉(zhuǎn)移阻抗[5]：

式中：ZC為特征轉(zhuǎn)移阻抗；RDC為連接器的直流電阻；sinh為雙曲正弦函數(shù)；k為與趨膚深度有關(guān)的參數(shù)（一般取為常數(shù)），該參數(shù)與通信頻率相關(guān)；t為時域內(nèi)的參數(shù)值。連接器設(shè)計選型時，應(yīng)注意電纜的特征阻抗，按照相關(guān)研究經(jīng)驗，連接器觸點的接觸電阻應(yīng)控制為2．5～10 mΩ。

1.2.3 CAN線纜

CAN總線采用雙絞線進(jìn)行差分信號傳輸。若雙絞線選型不合格、線纜阻抗分布不均勻、阻抗不穩(wěn)定，將導(dǎo)致信號在線纜上傳輸時產(chǎn)生嚴(yán)重反射現(xiàn)象，進(jìn)而影響通信質(zhì)量。在成本可控前提下，盡可能使用屏蔽雙絞線，雙絞線的單芯橫截面積不小于0．5 mm2，屏蔽層單點接地。

通信線纜總線長度對于通信質(zhì)量有明顯影響，可歸納為：（1）總線長度增加使信號的傳輸延遲增加，引起接收通信節(jié)點接收信號異常。（2）總線長度增加使得CAN_H、CAN_L之間的電容增加，造成差分波形上升沿變緩，使位時間變小，超出節(jié)點接收位容忍度時，接收節(jié)點不能正常接收數(shù)據(jù)。總線長度除了與實際線纜的長度相關(guān)外，還與線纜的端接質(zhì)量以及線纜是否彎折相關(guān)。線束連接時，應(yīng)對線束連接工藝進(jìn)行說明，避免由于接線不規(guī)范導(dǎo)致通信故障。

在網(wǎng)絡(luò)電纜布線過程中，需重點關(guān)注傳輸線布局布線中的電纜彎折情況，在電纜走線過程中，盡量將其布置在合適的線槽，并減少彎折和彎曲。此外，電纜端的預(yù)留長度要按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計長度選取，避免預(yù)留電纜的過度彎折導(dǎo)致傳輸特性的惡化。同時，要通過合理的布線，盡量減少電纜的走線長度，縮短線路延時[6]。

圖1 CAN總線電氣組成

圖2 標(biāo)準(zhǔn)分裂終端電阻接法

圖3 H橋式終端電阻接法

支線長度對于CAN總線通信影響主要表現(xiàn)在信號反射上。在工業(yè)現(xiàn)場，為了安裝及維護(hù)方便，CAN節(jié)點通常通過連接器連接到主干線，但由于某些場合為了節(jié)省成本，CAN總線采用T型接法，將分支線直接端接在主干線上，導(dǎo)致信號傳輸時，在端接處產(chǎn)生信號反射，該信號會導(dǎo)致信號電平過沖，進(jìn)而引起接收器誤觸發(fā)引起接收錯誤。為了避免這種情況發(fā)生，支線應(yīng)盡可能短，而且各分支長度盡可能有所差異。按照ISO 11898-2規(guī)定，1 Mb/s波特率時，分支長度應(yīng)不超過0．3 m，當(dāng)波特率降低時，分支長度可適當(dāng)調(diào)整，但不能超過6．0 m。ECU內(nèi)部CAN_H/CAN_L到收發(fā)器的距離應(yīng)小于6 cm。

CAN通信節(jié)點最小節(jié)點間距對總線通信質(zhì)量也有影響。ECU的增加相當(dāng)于并聯(lián)更多的電容和電阻，會導(dǎo)致容抗的增大，同時阻抗減小，并在一定范圍內(nèi)使總線的傳輸通路總阻抗與負(fù)載部分的阻抗發(fā)生變化，出現(xiàn)不匹配，引起信號反射。ECU節(jié)點的最小間距與傳輸媒介和總線電容相關(guān)，按照工程經(jīng)驗，相鄰2個ECU之間距離應(yīng)大于0．1 m。ECU數(shù)量也將影響總線通信，最大允許ECU數(shù)量如下：通信波特率125 kb/s，ECU節(jié)點數(shù)量32；通信波特率250 kb/s，ECU節(jié)點數(shù)量32；通信波特率500 kb/s，ECU節(jié)點數(shù)量16[7]。

1.2.4 CAN節(jié)點

CAN節(jié)點是CAN總線通信的核心模塊，其軟件程序和硬件電路均可對通信造成影響。與軟件相關(guān)的因素有采樣點、波特率、報文周期、報文處理效率、bus-off恢復(fù)等。與硬件電路相關(guān)的因素有位時間、波特率準(zhǔn)確度、上升下降沿時間、信號電平的電壓。

通常情況下，CAN節(jié)點收發(fā)器接收報文采用的是單次采樣，讀取每1位的電平只采樣1次，CAN信號在顯性和隱性變化過程中，由于總線電容和信號反射的影響，傳輸信號不是嚴(yán)格意義的方波，上升沿和下降沿均會占用一定的位時間，信號反射引起的振鈴會導(dǎo)致采樣時誤判，由于CAN通信錯誤檢測的機(jī)制，會導(dǎo)致CAN控制器發(fā)送錯誤幀。根據(jù)工程經(jīng)驗，當(dāng)采樣點的位置在75．0%—87．5%區(qū)間時，采樣成功率要高于其他區(qū)間。采樣點位置見圖4。

通信波特率與軟件設(shè)置及硬件電路的晶振相關(guān)，軟件設(shè)置有誤或晶振質(zhì)量差，都會引起波特率設(shè)置有偏差，同時引起位時間不準(zhǔn)確。各節(jié)點對于波特率和位時間偏差有一定容忍度，但超過接收節(jié)點容忍度范圍時就會引起通信異常。

報文周期主要與軟件定時設(shè)置、報文ID優(yōu)先級、軟件處理效率相關(guān)。CAN通信采用載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免，基于優(yōu)先級仲裁的通信網(wǎng)絡(luò)。多個節(jié)點同時向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)時，依據(jù)發(fā)送報文ID的優(yōu)先級進(jìn)行仲裁，ID小的報文優(yōu)先發(fā)送，ID大的報文在ID?。▋?yōu)先級高）的報文發(fā)送后，即總線空閑時發(fā)送，如果優(yōu)先級高的報文頻繁占用總線，優(yōu)先級低的報文就會因無法占用總線而出現(xiàn)丟包甚至發(fā)送不出去的情況。因此，合理地分配ID，設(shè)定好報文優(yōu)先級，對優(yōu)先級高的報文要定義好發(fā)送報文周期，有效管理報文發(fā)送調(diào)度，保證網(wǎng)絡(luò)報文周期的正常發(fā)送。在CANopen協(xié)議中，對報文的調(diào)度進(jìn)行了說明和要求。

2 故障排查與解決措施

2.1 CAN總線網(wǎng)絡(luò)中斷

CAN總線網(wǎng)絡(luò)中斷主要有3方面原因：（1）接線時出現(xiàn)的問題通常為CAN_H與CAN_L反接，CAN_H與地線反接，CAN_H對地線短路，CAN-L對電源短路。（2）波特率錯誤，某些節(jié)點不是按照規(guī)定波特率設(shè)置。（3）終端電阻未接或阻值不匹配引起的網(wǎng)上大量錯誤幀。通常情況下，CAN總線設(shè)備節(jié)點較多，網(wǎng)絡(luò)布線較為復(fù)雜，為快速定位，可在診斷口直接使用示波器進(jìn)行觀察，若有CAN-H、CAN_L波形，故障則與通信波特率和終端電阻相關(guān)。如果排查以上方面均無問題，可排查ECU模塊是否正常工作。

2.2 丟包問題

網(wǎng)絡(luò)丟包的主要原因如下：（1）仲裁導(dǎo)致數(shù)據(jù)發(fā)送擁堵。（2）網(wǎng)絡(luò)錯誤幀引起重發(fā)導(dǎo)致延時。（3）干擾導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)短暫故障，一段時間內(nèi)未接收到報文。（4）設(shè)備接收大量ID，數(shù)據(jù)發(fā)送出現(xiàn)擁堵。（5）信號電平的電壓過低，接收節(jié)點無法識別。ID分配及報文周期設(shè)定時，應(yīng)充分考慮網(wǎng)絡(luò)帶寬和負(fù)載，保證低優(yōu)先級ID能夠順利發(fā)出。改善整車網(wǎng)絡(luò)的整體電磁環(huán)境，降低網(wǎng)絡(luò)干擾源，必要時采用屏蔽雙絞線。提高軟件處理效率，保證單節(jié)點能夠正常收發(fā)數(shù)據(jù)。減少總線線路阻抗或加大終端電阻阻值，保證信號傳輸壓降在合理范圍內(nèi)，接收節(jié)點能夠識別報文。

圖4 采樣點位置

2.3 錯誤幀問題

錯誤幀的發(fā)送與通信信號波形質(zhì)量、節(jié)點的采樣點有關(guān)。信號波形質(zhì)量差、采樣點設(shè)置存在偏差會引起采樣時誤判，發(fā)送錯誤幀。同時，信號受干擾嚴(yán)重，終端電阻匹配不合適，信號反射嚴(yán)重，波形也會發(fā)生變化，引起錯誤幀。要解決大量錯誤幀報文引起的通信問題，需改善總線信號傳輸質(zhì)量，從終端電阻、布線、連接、各節(jié)點采樣點設(shè)置、位時間等方面同時改進(jìn)。從調(diào)試經(jīng)驗上看，出現(xiàn)錯誤幀時，主要是由于部分ECU產(chǎn)品通信質(zhì)量差，采樣點設(shè)置不合理，晶振產(chǎn)生頻率不準(zhǔn)確引起信號異常?？赏ㄟ^診斷可疑性單節(jié)點進(jìn)行單獨測試排查。

2.4 報文周期不穩(wěn)

報文周期不穩(wěn)與網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、通信ECU的準(zhǔn)確性和通信機(jī)制有關(guān)。網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量差引起的周期波動需從硬件上解決，主要表現(xiàn)在通信質(zhì)量差引起錯誤幀占用總線，重發(fā)導(dǎo)致周期異常。部分ECU可能會出現(xiàn)設(shè)置定時不準(zhǔn)確導(dǎo)致發(fā)送周期有誤差，可通過單獨測試進(jìn)行確定。通信機(jī)制引起的問題需從調(diào)度策略上改善，可將發(fā)送報文進(jìn)行合理分配排序，避免發(fā)送擁堵。例如在CANopen協(xié)議中，基于同步包發(fā)送的報文周期與主節(jié)點發(fā)送的同步包周期相關(guān)，如果同步包周期不準(zhǔn)，將引起所有節(jié)點發(fā)送的周期不穩(wěn)。軟件定時不準(zhǔn)也將引起周期不穩(wěn)，部分ECU內(nèi)使用嵌入式操作系統(tǒng)，定時發(fā)送報文時由于實時性問題會出現(xiàn)周期波動問題。因此，需要保證每個節(jié)點發(fā)送周期的穩(wěn)定性，以提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

3 輕軌車輛CAN總線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

輕軌車輛通常采用多編組的方式進(jìn)行連接，按照IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)要求，車輛網(wǎng)絡(luò)分為連接不同列車之間的骨干網(wǎng)和車廂內(nèi)部設(shè)備的組成網(wǎng)。在單節(jié)車廂內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)的主要功能是采集車廂內(nèi)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，傳輸過程數(shù)據(jù)，通信距離相對較短（通常為10～20 m），網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可選用MVB、以太網(wǎng)、CANopen、Profinet等。由于CAN總線具有短幀、廣播、重發(fā)機(jī)制等特點，用于車廂內(nèi)組網(wǎng)，在滿足性能的同時也可降低通信成本。另外，該技術(shù)已在汽車行業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，積累了成熟的診斷、維護(hù)技術(shù)和經(jīng)驗。

輕軌車輛與大型公交客車相比有以下幾點相似：單節(jié)車輛長度相差不大，設(shè)備產(chǎn)品類似，電氣環(huán)境中均存在高低壓設(shè)備，通信功能基本相同。因此CAN總線完全能夠滿足輕軌車廂內(nèi)設(shè)備通信的需求。但考慮到導(dǎo)電軌高壓造成的強(qiáng)電磁影響，輕軌車輛在車廂內(nèi)部采用CAN通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和應(yīng)用時，同樣會出現(xiàn)以上影響CAN通信質(zhì)量的問題，甚至更強(qiáng)的干擾，需加強(qiáng)總線的屏蔽效果，嚴(yán)格把控各產(chǎn)品按照要求進(jìn)行設(shè)計和測試。同時，由于車輛長度和設(shè)備節(jié)點的原因，在輕軌車輛上的CAN網(wǎng)絡(luò)分支要合理配置，以保證通信質(zhì)量。

4 結(jié)束語

CAN總線網(wǎng)絡(luò)憑借其經(jīng)濟(jì)的開發(fā)成本、便捷的擴(kuò)展性、強(qiáng)抗干擾能力，非常適合應(yīng)用于輕軌及其他車輛，并已在深圳地鐵4號線車輛中應(yīng)用多年[8-9]。通信質(zhì)量對于保證車輛安全正常運行至關(guān)重要，因此應(yīng)在設(shè)計開發(fā)CAN總線網(wǎng)絡(luò)時充分考慮各種因素，提高網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性和可靠性。