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(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程分院, 陜西 楊凌 712100)

隨著汽車性能地不斷提高，其電控技術(shù)也在不斷地發(fā)展，這些電子控制系統(tǒng)之間簡單的的線控連接，又影響汽車工業(yè)的發(fā)展[1]。CAN總線技術(shù)的應(yīng)用，可以很好地解決這些問題，并推動著汽車電子的進一步發(fā)展[2]。CAN是一種串行通訊協(xié)議，專為可靠、高速數(shù)據(jù)通信而定[3,4]。CAN最初是由BOSCH和Intel專門為汽車內(nèi)數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的總線系統(tǒng)。隨著技術(shù)地不斷提高，其功能越來越強大[5]。因此，汽車CAN總線的研究顯得越來越重要。

1 汽車CAN總線技術(shù)分析

1.1 汽車CAN總線技術(shù)特點

CAN總線是一種串行數(shù)據(jù)協(xié)議，其通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等項工作。CAN總線特點如下：

(1)實時性。CAN網(wǎng)絡(luò)上任意一個節(jié)點可在任何時候向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(在汽車上為ECU)發(fā)送信息而不分主從級別(主從的意思是：需要由作“主”的節(jié)點允許，其他作“從”的節(jié)點才可以發(fā)信息。類似于主仆關(guān)系，主人發(fā)話詢問，仆人回答)，CAN總線正因為有這樣通信特點，提高了整個網(wǎng)絡(luò)的通信效率。汽車上常用的50～500 Kbps總線速率，使信息傳輸?shù)膶崟r性得到了提高。

(2)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先級。網(wǎng)絡(luò)上實際同時只允許一幀報文在發(fā)送，只有一幀報文發(fā)送完畢后，總線處于空閑狀態(tài)時，其他報文才可以發(fā)送。而此時如果有兩個或更多個節(jié)點需要發(fā)送報文，如何判定由哪一個節(jié)點發(fā)送報文？由這些節(jié)點發(fā)送的報文ID(識別碼，或理解為一串代表這個報文名字的“數(shù)字”)決定，ID(“數(shù)字”)越小，優(yōu)先級越高；ID小的報文與與ID大的報文同時發(fā)送時，ID小的報文優(yōu)先發(fā)出，其他未發(fā)出報文的節(jié)點轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)，并同時等待下一個總線空閑。

CAN總線協(xié)議這樣的設(shè)置，可以使同一個節(jié)點擁有不同的總線優(yōu)先級；具體優(yōu)先級可以根據(jù)報文內(nèi)信息的重要性和實時性要求決定，比如發(fā)動機ECU節(jié)氣門位置、電子油門踏板信息的重要性、實時性高，所在報文ID就??；水溫傳感器實時性要求低，所在報文ID就大。

(3)無損仲裁。在多個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，哪個節(jié)點優(yōu)先發(fā)送數(shù)據(jù)是根據(jù)CAN高層協(xié)議決定的，此時就用到了CAN總線通信中的無損仲裁特性。

無損仲裁是指在多個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級最高(ID最小)的節(jié)點獲得總線的使用權(quán)，優(yōu)先級低的節(jié)點自動退出發(fā)送，并轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，接收來自總線的信息，并等待總線空閑；而本身要發(fā)送的數(shù)據(jù)不會由于發(fā)送的中斷而丟失或損壞。

(4)抗干擾能力強。CAN總線的硬件設(shè)計和通信采用雙絞線作為通信線路(雙絞線保證了2條線受到的電磁環(huán)境干擾是一樣的)，提高了CAN總線通信中的抗干擾能力。

采用的CRC(循環(huán)冗余檢驗)校驗，防止了錯誤CAN報文的使用，并根據(jù)CAN收發(fā)器的硬件機制，發(fā)送節(jié)點會得到?jīng)]發(fā)送出去、發(fā)送錯誤等信息。

1.2 CAN總線的優(yōu)點

(1)利用最少的傳感器信號線來傳遞多用途的傳感器信號，車輛控制更精確、智能。

(2)電控單元和電控單元插腳最小化應(yīng)用，節(jié)省有限空間。

(3)線束與接頭更少，故障率低，檢修方便，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。

(4)控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸較快。

(5)系統(tǒng)診斷能力更強。

1.3 CAN總線的應(yīng)用狀態(tài)

現(xiàn)在轎車上大多使用兩種CAN總線，一種是低速CAN總線，傳輸速率為100 Kbps；另一種是高速CAN總線，傳輸速率是500 Kbps。兩條扭絞在一起的導(dǎo)線稱為雙絞線，控制單元之間的數(shù)據(jù)交換就是通過這兩條導(dǎo)線來完成的。兩種CAN總線系統(tǒng)的應(yīng)用狀態(tài)的區(qū)別如下：高速CAN數(shù)據(jù)總線通過點火開關(guān)切斷，或經(jīng)過短時無載運行后切斷；而低速CAN數(shù)據(jù)總線由?；鹁€供電且必須保持隨時可用狀態(tài)。

1.4 CAN總線的電磁兼容原理

(1)抗干擾。雙絞線保證外界干擾對CAN總線的兩根數(shù)據(jù)線的影響基本相同，因此消除了外界的干擾影響。

(2)不干擾外界。雙絞線保證CAN總線的兩根數(shù)據(jù)線與外界任意一點之間的距離基本相同。由于CAN收發(fā)器發(fā)送到兩根數(shù)據(jù)線上的信號成鏡像關(guān)系，因此，CAN總線的H線的對外輻射和L線的對外輻射具有幅值相同、方向相反的特點。以上兩點加起來使得CAN總線的兩根數(shù)據(jù)線對外界任意一點的干擾影響可自行運算抵消。

1.5 CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸過程

CAN總線由CAN控制器、CAN收發(fā)器、數(shù)據(jù)傳輸線、數(shù)據(jù)傳輸終端等組成。CB311的ECU(發(fā)動機控制單元)、TCU(變速器控制單元)、FEPS(無鑰匙進入和無鑰匙啟動系統(tǒng))、組合儀表四個電控單元通過CAN總線連接，CAN控制器、CAN收發(fā)器均集成在電控單元中。信息的發(fā)送過程為：轉(zhuǎn)速值先被復(fù)制到發(fā)動機控制單元的發(fā)送存儲器，接著，該信息從發(fā)送存儲器進入數(shù)據(jù)傳輸總線構(gòu)件的發(fā)送郵箱內(nèi)，然后按協(xié)議被轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)傳輸總線的特殊格式，最后等待總線空閑下來，發(fā)動機信息就會被發(fā)送出去。信息接收過程分為兩步：第一步：檢查信息是否正確；第二步：檢查信息是否可用。

2 汽車CAN總線故障分析

2.1 CAN總線故障產(chǎn)生的原因

分析CAN總線系統(tǒng)產(chǎn)生故障的原因一般有以下三種：一類是電源故障；一類是節(jié)點故障；一類是鏈路故障。電源故障一般指電壓超過正常電壓，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作。節(jié)點故障一般包括兩種故障，一是軟件故障：傳輸協(xié)議或軟件程序有缺陷或沖突，一般成批出現(xiàn)、無法維修；二是硬件故障：通信芯片或集成電路損壞，一般單獨出現(xiàn)，更換電控單元并重新自適應(yīng)匹配軟件。鏈路是指各節(jié)點間的通信連接路，鏈路故障包括：短路、斷路和線路因物理性質(zhì)改變而引起的通信訊號衰減或失真。

2.2 CAN總線故障的一般診斷步驟

(1)裝有CAN總線多路信息傳輸系統(tǒng)的車輛出現(xiàn)故障，應(yīng)首先檢測數(shù)據(jù)總線是否正常。

(2)在檢查數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)前，必須保證所有與數(shù)據(jù)總線相連的控制單元無功能故障。

(3)如果存在功能故障，先排除故障代碼，記下該故障并消除所有控制單元的故障代碼。

(4)排除所有功能故障后，如果控制單元間數(shù)據(jù)傳遞仍不正常，檢測數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)。

2.3 CAN總線故障的類型

(1)故障類型-ECU。CAN總線在汽車上使用的目的主要是為了實現(xiàn)信息的快速、實時共享，所以在通過CAN總線聯(lián)網(wǎng)的ECU出現(xiàn)故障時，會影響到其他需要這些信息的ECU單元出現(xiàn)相關(guān)故障。

案例:某配置有隨動轉(zhuǎn)向大燈、自動變速器的車型，由于大燈損壞，導(dǎo)致自動變速器只有低速擋，儀表顯示需要去服務(wù)站。在換掉損壞的大燈，清除故障碼后故障排除。

原因：隨動轉(zhuǎn)向大燈電腦將故障信息發(fā)送到了車載網(wǎng)絡(luò)，自動變速器采用了該故障信息，認(rèn)為大燈損壞情況下以高速行駛將會有潛在的危險，所以將自動變速器換擋限制在低速擋，儀表接收到該信息后，提示駕駛員去服務(wù)站。

(2)故障類型-網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)是現(xiàn)在很多高級轎車上常用的配置，網(wǎng)關(guān)一般和車載電網(wǎng)單元做在一起，成為一個電腦，在網(wǎng)關(guān)完全損壞后，將可能會導(dǎo)致以下問題：一是，診斷儀不能進入經(jīng)過網(wǎng)關(guān)與診斷儀連接的所有電腦；二是，不能進入網(wǎng)關(guān)；三是，發(fā)動機不能運行。

3 結(jié) 論

汽車CAN總線作為汽車中大量電子部件以及各控制單元之間數(shù)據(jù)傳遞的傳送通道，其性能的好壞對汽車的影響越來越大。本文對汽車CAN總線的技術(shù)特點、優(yōu)勢、應(yīng)用狀態(tài)及傳輸過程進行了分析，也分析了汽車CAN總線故障產(chǎn)生的原因、故障的類型及故障的一般診斷步驟。通過本文的研究，為汽車CAN總線的進一步研究提供一定的理論基礎(chǔ)。