嚴(yán)紅軍

整車試制階段的CAN總線故障案例分析

嚴(yán)紅軍

（重慶長(zhǎng)安跨越車輛有限公司，重慶 404100）

隨著控制器局域網(wǎng)（CAN）總線技術(shù)在汽車領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，解決CAN總線故障已成為汽車網(wǎng)絡(luò)工程師的一項(xiàng)必備能力。文章從汽車研發(fā)的角度出發(fā)，首先闡述了處理總線故障的總體思路，然后介紹了幾種常用的CAN總線診斷工具，最后從故障現(xiàn)象，診斷分析以及排查方法這幾方面，對(duì)在實(shí)際項(xiàng)目工作中遇到的CAN總線故障進(jìn)行了詳細(xì)描述和說(shuō)明。通過(guò)這些案例分享，可以為從事汽車CAN網(wǎng)絡(luò)開發(fā)及應(yīng)用的相關(guān)人員提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

控制器局域網(wǎng)（CAN）；診斷工具；故障現(xiàn)象；故障分析；排查方法；整車試制

目前汽車的電動(dòng)化，網(wǎng)聯(lián)化，智能化和共享化代表著汽車的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)[1]。要想實(shí)現(xiàn)汽車的新四化，這一切都離不開汽車網(wǎng)絡(luò)信息通信技術(shù)的發(fā)展和運(yùn)用[2]，其中汽車控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network, CAN）總線是發(fā)展最為迅速和使用最為廣泛的汽車網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。但是在實(shí)際的項(xiàng)目工作中，由于相關(guān)人員對(duì)CAN總線規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的理解不夠透徹，尤其是缺乏實(shí)際維修經(jīng)驗(yàn)或值得借鑒的經(jīng)驗(yàn)較少，而使CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)出現(xiàn)故障后得不到快速解決，影響項(xiàng)目進(jìn)度。因此，如何解決好這一問(wèn)題是CAN應(yīng)用中至關(guān)重要的問(wèn)題。

1 CAN總線概述

CAN是一種由德國(guó)Bosch公司為汽車應(yīng)用而開發(fā)的多主機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用于汽車的監(jiān)測(cè)和控制，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。最初目的是解決汽車上數(shù)量眾多的電子設(shè)備之間的通信問(wèn)題，減少電子設(shè)備之間繁雜的信號(hào)線[3]。

CAN屬于總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)，其數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。由于其良好的性能及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，因而得到了業(yè)界的廣泛認(rèn)同和運(yùn)用[4]，并在1993年正式成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

如圖1所示，這是一種應(yīng)用于中高端車型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，動(dòng)力系統(tǒng)和車身系統(tǒng)由各自獨(dú)立的兩個(gè)CAN總線網(wǎng)段構(gòu)成，儀表盤（Cluster）作為網(wǎng)關(guān)，診斷接口（Diagnostic Link Connector, DLC）與動(dòng)力系統(tǒng)和車身系統(tǒng)的CAN總線相連。

圖1 某車型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2 總線故障分類

汽車CAN總線故障一般分為三大類；電源系統(tǒng)故障、鏈路故障和節(jié)點(diǎn)故障[5]。

2.1 電源系統(tǒng)故障

汽車電源系統(tǒng)電壓超出電控模塊的正常工作電壓范圍，引起控制器無(wú)法正常工作。由于此類故障不涉及總線系統(tǒng)的本質(zhì)，故不做詳細(xì)介紹。

2.2 鏈路故障

CAN總線系統(tǒng)通信線路短路、斷路、錯(cuò)接、終端電阻缺失等物理層故障。一般會(huì)導(dǎo)致多個(gè)電控模塊工作不正常，總線系統(tǒng)無(wú)法工作。

2.3 節(jié)點(diǎn)故障

節(jié)點(diǎn)就是CAN總線系統(tǒng)的電控模塊，節(jié)點(diǎn)故障就是電控模塊的軟件和硬件故障。通常會(huì)造成汽車CAN總線系統(tǒng)通信出現(xiàn)混亂或無(wú)法工作。

3 總線故障處理思路

當(dāng)CAN總線系統(tǒng)出現(xiàn)故障或數(shù)據(jù)傳輸異常時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)多種奇怪的故障現(xiàn)象，如組合儀表顯示異常，車輛無(wú)法啟動(dòng)，某個(gè)電控系統(tǒng)功能失效等。這是因?yàn)橄嚓P(guān)的數(shù)據(jù)或信息是通過(guò)CAN總線傳輸?shù)模绻麄鬏斒?，那么就?huì)產(chǎn)生多種連帶故障，甚至造成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)癱瘓，其中最為常見的故障癥狀是組合儀表的顯示異常。

對(duì)于汽車CAN總線故障的分析與處理，首先應(yīng)查看具體的故障癥狀，根據(jù)故障癥狀和整車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪?lái)初步分析有可能是哪些原因造成的，然后使用相關(guān)的診斷工具進(jìn)行診斷測(cè)試，根據(jù)診斷結(jié)果制訂相關(guān)處理方案，做到心中有數(shù)，目標(biāo)明確，接著查找具體的故障部位和原因，使用合適的排查方法，快速精準(zhǔn)的找到故障點(diǎn)，從而徹底排除故障。

4 診斷工具

在汽車領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的CAN總線診斷工具有德國(guó)Vector公司和ZLG致遠(yuǎn)電子公司開發(fā)的總線設(shè)備，前者功能強(qiáng)大，后者性價(jià)比高。

基于Vector工具鏈的常用CAN總線診斷工具包括CANoe、VN1640A、PicoScope示波器等設(shè)備[6]。其中CANoe是一款上位機(jī)軟件，用于CAN、局域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（Local Interconnect Network,LIN）、FlexRay、汽車光纖線（Media Oriented System Transport, MOST）和以太網(wǎng)的開發(fā)、仿真、測(cè)試和分析。VN1640A是一款網(wǎng)絡(luò)接口卡，共有5個(gè)D-SUB9連接器，其中CH1-CH4是用于CAN/LIN等總線設(shè)備連接并進(jìn)行通信的接口，CH5為I/O接口，主要用于模擬量輸入、數(shù)字量輸入輸出使用。PicoScope則是對(duì)CANoe功能的一個(gè)補(bǔ)充，是一種USB接口的CAN/LIN數(shù)字示波器，可以對(duì)總線信號(hào)的物理波形進(jìn)行記錄和分析。

ZLG致遠(yuǎn)電子擁有ZCANPRO、USBCAN接口卡、ZDS系列示波器等多種同類型總線產(chǎn)品，其中ZCANPRO是CAN/CANFD系列產(chǎn)品的配套軟件，可進(jìn)行原始數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)回放、高層協(xié)議分析等操作，可以勝任完成大部分CAN網(wǎng)絡(luò)測(cè)試、分析的工作。

5 故障案例分析

5.1 節(jié)點(diǎn)CAN_L與CAN_H導(dǎo)線接反

故障現(xiàn)象：一款動(dòng)力升級(jí)的輕卡試制樣車批量出現(xiàn)組合儀表制動(dòng)防抱死系統(tǒng)（Antilock Brake System, ABS）故障指示燈常亮，行駛時(shí)車速表不動(dòng)作，使用專用診斷儀對(duì)ABS進(jìn)行診斷，提示無(wú)法通信。

故障分析：根據(jù)組合儀表的功能規(guī)范得知，ABS故障指示燈亮起有兩個(gè)條件，一是ABS報(bào)文0x330中故障信號(hào)ABS_Fault值為0x1（故障激活），二是ABS報(bào)文0x330丟失，組合儀表進(jìn)行主動(dòng)報(bào)警。結(jié)合診斷儀無(wú)法訪問(wèn)ABS控制器的故障現(xiàn)象，初步懷疑ABS故障。

排查方法：根據(jù)分析，按照?qǐng)D2流程對(duì)ABS總線故障進(jìn)行排查。

圖2 單節(jié)點(diǎn)總線故障排查流程

（1）讀取整車CAN數(shù)據(jù)流。使用VN1640A或USBCAN接口卡連接整車車載自動(dòng)診斷系統(tǒng)（On-Board Diagnostics, OBD）診斷接口。

（2）觀察ABS報(bào)文發(fā)送情況。在CAN數(shù)據(jù)流中，未發(fā)現(xiàn)ABS相關(guān)報(bào)文，從而確定ABS故障燈亮的原因是節(jié)點(diǎn)報(bào)文丟失。

（3）采用電阻法檢查線束連接，確定故障類型。測(cè)量電阻前應(yīng)先關(guān)閉點(diǎn)火開關(guān)，等待幾分鐘讓CAN總線上的所有節(jié)點(diǎn)控制器的電容完全放電。使用萬(wàn)用表測(cè)量ABS端的線束插頭中CAN_H與OBD診斷接口引腳“6”之間的電阻值，如果ABS節(jié)點(diǎn)的CAN線連接正常，那么兩者之間的阻值應(yīng)為0歐姆，如果兩者之間存在60歐姆的阻值，就表明ABS的總線接反（如圖3所示），測(cè)量CAN_L同理。OBD診斷接口的引腳定義應(yīng)符合ISO 15031-3的相關(guān)規(guī)定。

圖3 ABS節(jié)點(diǎn)總線接反示意圖

經(jīng)測(cè)量，ABS的CAN_H與OBD診斷接口引腳“6”存在60歐姆的阻值，說(shuō)明ABS的線束插頭CAN_L與CAN_H導(dǎo)線接反，屬于鏈路故障。

（1）根據(jù)診斷結(jié)果，分析出故障產(chǎn)生的具體原因。通過(guò)校核線束實(shí)物與設(shè)計(jì)圖紙，確定是由于線束供應(yīng)商生產(chǎn)工藝文件錯(cuò)誤導(dǎo)致的批量問(wèn)題。

（2）處理線束問(wèn)題，排除故障。對(duì)換ABS線束插頭中CAN_L與CAN_H導(dǎo)線位置后，ABS總線通信恢復(fù)正常，故障消失。

5.2 波特率不同的設(shè)備接入同一條總線

故障現(xiàn)象：一個(gè)柴油車項(xiàng)目的雜合車組合儀表轉(zhuǎn)速、車速、水溫、發(fā)動(dòng)機(jī)故障指示燈（Malfun- ction Indicator Lamp, MIL）、ABS和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering, EPS）指示燈顯示異常，使用專用診斷儀分別對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）、ABS、EPS等系統(tǒng)進(jìn)行診斷，全都提示通信錯(cuò)誤。

故障分析：觀察組合儀表可以發(fā)現(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)的CAN信號(hào)顯示不正常，專用診斷儀也無(wú)法進(jìn)行訪問(wèn)，初步懷疑是鏈路故障導(dǎo)致總線Bus-Off。

排查方法：根據(jù)分析，按照?qǐng)D4所示流程進(jìn)行總線故障排查。

（1）使用CAN接口卡讀取整車CAN數(shù)據(jù)流。

（2）觀察整車總線通信情況，判斷故障屬于鏈路故障還是節(jié)點(diǎn)故障。車輛上電后，從上位機(jī)軟件中可以看到發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)點(diǎn)EMS在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)送了幾幀報(bào)文，然后總線上出現(xiàn)大量錯(cuò)誤幀（格式錯(cuò)誤和填充錯(cuò)誤），整個(gè)總線進(jìn)入Bus-Off狀態(tài)。從以上現(xiàn)象可以分析出，車輛上電后發(fā)動(dòng)機(jī)ECU是第一個(gè)完成初始化并發(fā)送報(bào)文的節(jié)點(diǎn)，在ECU成功完成幾幀報(bào)文的發(fā)送之后，干擾源才出現(xiàn)，造成了整個(gè)總線的Bus-Off。由此可見，前期的判斷錯(cuò)誤，該故障應(yīng)屬于節(jié)點(diǎn)故障。

圖4 總線Bus-Off故障排查流程

（3）采用排除法，逐一拔掉各節(jié)點(diǎn)電源保險(xiǎn)絲，直到總線通信恢復(fù)正常。根據(jù)整車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，列出網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的全部節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)整車電氣原理圖找到各節(jié)點(diǎn)電源保險(xiǎn)絲在中央保險(xiǎn)盒上的位置。逐一拔掉組合儀表、ABS、遠(yuǎn)程信息處理器（Telematics-BOX, TBOX）、EPS的電源保險(xiǎn)絲，當(dāng)拔掉EPS電源保險(xiǎn)絲時(shí)，總線通信恢復(fù)了正常，且無(wú)錯(cuò)誤幀產(chǎn)生。重新恢復(fù)前面被拔掉保險(xiǎn)絲的節(jié)點(diǎn)，總線通信仍然保持正常，到此故障節(jié)點(diǎn)鎖定。

（4）對(duì)故障節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)測(cè)試，分析出故障產(chǎn)生的具體原因。拆下EPS控制器進(jìn)行測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，其波特率為500 kbaud，報(bào)文為標(biāo)準(zhǔn)幀格式，與柴油車總線波特率250 kbaud的設(shè)計(jì)要求不符。該故障的發(fā)生是由于EPS工程師的疏忽，把汽油車用的零件裝到了柴油車上，導(dǎo)致波特率不同的設(shè)備接入到了同一條CAN總線上，造成整個(gè)CAN總線無(wú)法通信。

（5）更換零件總成，排除故障。

5.3 CAN控制器芯片配置錯(cuò)誤

故障現(xiàn)象：一款柴油斷氣剎試制樣車行駛時(shí)組合儀表不顯示車速，CANoe讀取的數(shù)據(jù)流中，ABS車速信號(hào)發(fā)送正常，且解析出的車速值也與實(shí)際車速一致。

故障分析：根據(jù)故障現(xiàn)象，我們首先排除了整車網(wǎng)絡(luò)鏈路故障，懷疑組合儀表失效。然后對(duì)儀表進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試驗(yàn)證，使用CANoe的Simulation Setup接口中的CAN Interactive Generator（交互式生成器）模擬仿真ABS車速報(bào)文0x18FEBF0B，觀察儀表的工作情況，最后根據(jù)診斷結(jié)果驗(yàn)證前期的判斷。

排查方法：使用CANoe模擬發(fā)出ABS車速信號(hào)，觀察發(fā)現(xiàn)組合儀表可以正常接受并顯示車速，從而否定了前期的分析判斷。鑒于使用不同設(shè)備發(fā)出相同的車速報(bào)文，儀表作出了不同的回應(yīng)。此類故障可以采用對(duì)比法，使用PicoScope示波器采集ABS和CANoe發(fā)出的車速報(bào)文，通過(guò)逐位對(duì)比兩者的物理波形[7]，我們發(fā)現(xiàn)ABS發(fā)出的車速報(bào)文SRR位為顯性“0”（如圖5所示），而CANoe模擬發(fā)出的車速報(bào)文SRR（Substitute Remote Request Bit）位為隱性“1”。

圖5 ABS車速報(bào)文的SRR位

按照BOSCH CAN Specification Version 2.0協(xié)議規(guī)定，擴(kuò)展幀里SRR位和IDE位都必須為隱性位“1”，用于解決標(biāo)準(zhǔn)幀與擴(kuò)展幀的沖突，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)幀優(yōu)先于擴(kuò)展幀。由此可見，正是由于ABS供應(yīng)商未按協(xié)議規(guī)范配置CAN控制器芯片，才導(dǎo)致組合儀表不接受ABS的車速信號(hào)。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著汽車新四化的發(fā)展，汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，疑難雜癥也逐漸增多，對(duì)于汽車CAN總線系統(tǒng)的診斷維修也越發(fā)重要。本文以整車試制階段的CAN總線故障為例，對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的診斷分析以及排查方法講解。希望能對(duì)從事汽車CAN網(wǎng)絡(luò)開發(fā)及應(yīng)用的相關(guān)人員提供有益的思路和參考。

[1] 羅先進(jìn).“新四化”背景下汽車服務(wù)與營(yíng)銷專業(yè)建設(shè)研究[J].學(xué)理論,2019(6):146-147.

[2] 吳晨曉.汽車網(wǎng)絡(luò)通信總線現(xiàn)狀及發(fā)展[J].汽車實(shí)用技術(shù),2019,44(2):203-204.

[3] 牛躍聽,周立功,王彬,等.CAN總線應(yīng)用層協(xié)議J1939輕松入門[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2021.

[4] 季麗華.CAN總線技術(shù)在汽車電控系統(tǒng)中的應(yīng)用及檢測(cè)分析[J].電子世界,2021(18):178-179.

[5] 何瑩.淺析高速CAN總線系統(tǒng)故障診斷[J].汽車維修,2020(3):14-16.

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CAN Bus Fault Case Analysis in Vehicle Trial Production Stage

YAN Hongjun

( Chongqing Chang’an Kuayue Automobile Company Limited, Chongqing 404100, China )

With the wide application of controller area network(CAN) bus technology in automotive field, solving CAN bus fault has become a necessary ability for automotive network engineers.From the perspective of automobile research and development, this paper first expounds the general idea of dealing with bus faults, then introduces several common CAN bus diagnostic tools, and finally describes the CAN bus faults encountered by the author in the actual project work in detail from the aspects of fault phenomena, diagnosis analysis and troubleshooting methods.It is hoped that the sharing of these cases can provide some practical experience and help for relevant personnel engaged in the development and application of automotive CAN network.

Controller area network(CAN);Diagnostic tools;Fault phenomenon;Fault analysis;Troubleshooting methods;Vchicle trial production

U472

B

1671-7988(2022)24-200-05

U472

B

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.024.037

嚴(yán)紅軍（1986—），男，工程師，研究方向?yàn)檐囕d網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，E-mail:289243218@qq.com。