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

隨著汽車(chē)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(jiǎn)單的的線(xiàn)控連接，又影響汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展[1]。CAN總線(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用，可以很好地解決這些問(wèn)題，并推動(dòng)著汽車(chē)電子的進(jìn)一步發(fā)展[2]。CAN是一種串行通訊協(xié)議，專(zhuān)為可靠、高速數(shù)據(jù)通信而定[3,4]。CAN最初是由BOSCH和Intel專(zhuān)門(mén)為汽車(chē)內(nèi)數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的總線(xiàn)系統(tǒng)。隨著技術(shù)地不斷提高，其功能越來(lái)越強(qiáng)大[5]。因此，汽車(chē)CAN總線(xiàn)的研究顯得越來(lái)越重要。

1 汽車(chē)CAN總線(xiàn)技術(shù)分析

1.1 汽車(chē)CAN總線(xiàn)技術(shù)特點(diǎn)

CAN總線(xiàn)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(duì)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(yàn)、優(yōu)先級(jí)判別等項(xiàng)工作。CAN總線(xiàn)特點(diǎn)如下：

(1)實(shí)時(shí)性。CAN網(wǎng)絡(luò)上任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)可在任何時(shí)候向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)(在汽車(chē)上為ECU)發(fā)送信息而不分主從級(jí)別(主從的意思是：需要由作“主”的節(jié)點(diǎn)允許，其他作“從”的節(jié)點(diǎn)才可以發(fā)信息。類(lèi)似于主仆關(guān)系，主人發(fā)話(huà)詢(xún)問(wèn)，仆人回答)，CAN總線(xiàn)正因?yàn)橛羞@樣通信特點(diǎn)，提高了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信效率。汽車(chē)上常用的50～500 Kbps總線(xiàn)速率，使信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性得到了提高。

(2)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先級(jí)。網(wǎng)絡(luò)上實(shí)際同時(shí)只允許一幀報(bào)文在發(fā)送，只有一幀報(bào)文發(fā)送完畢后，總線(xiàn)處于空閑狀態(tài)時(shí)，其他報(bào)文才可以發(fā)送。而此時(shí)如果有兩個(gè)或更多個(gè)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送報(bào)文，如何判定由哪一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文？由這些節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報(bào)文ID(識(shí)別碼，或理解為一串代表這個(gè)報(bào)文名字的“數(shù)字”)決定，ID(“數(shù)字”)越小，優(yōu)先級(jí)越高；ID小的報(bào)文與與ID大的報(bào)文同時(shí)發(fā)送時(shí)，ID小的報(bào)文優(yōu)先發(fā)出，其他未發(fā)出報(bào)文的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)，并同時(shí)等待下一個(gè)總線(xiàn)空閑。

CAN總線(xiàn)協(xié)議這樣的設(shè)置，可以使同一個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有不同的總線(xiàn)優(yōu)先級(jí)；具體優(yōu)先級(jí)可以根據(jù)報(bào)文內(nèi)信息的重要性和實(shí)時(shí)性要求決定，比如發(fā)動(dòng)機(jī)ECU節(jié)氣門(mén)位置、電子油門(mén)踏板信息的重要性、實(shí)時(shí)性高，所在報(bào)文ID就??；水溫傳感器實(shí)時(shí)性要求低，所在報(bào)文ID就大。

(3)無(wú)損仲裁。在多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，哪個(gè)節(jié)點(diǎn)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(shí)就用到了CAN總線(xiàn)通信中的無(wú)損仲裁特性。

無(wú)損仲裁是指在多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，優(yōu)先級(jí)最高(ID最小)的節(jié)點(diǎn)獲得總線(xiàn)的使用權(quán)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)自動(dòng)退出發(fā)送，并轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，接收來(lái)自總線(xiàn)的信息，并等待總線(xiàn)空閑；而本身要發(fā)送的數(shù)據(jù)不會(huì)由于發(fā)送的中斷而丟失或損壞。

(4)抗干擾能力強(qiáng)。CAN總線(xiàn)的硬件設(shè)計(jì)和通信采用雙絞線(xiàn)作為通信線(xiàn)路(雙絞線(xiàn)保證了2條線(xiàn)受到的電磁環(huán)境干擾是一樣的)，提高了CAN總線(xiàn)通信中的抗干擾能力。

采用的CRC(循環(huán)冗余檢驗(yàn))校驗(yàn)，防止了錯(cuò)誤CAN報(bào)文的使用，并根據(jù)CAN收發(fā)器的硬件機(jī)制，發(fā)送節(jié)點(diǎn)會(huì)得到?jīng)]發(fā)送出去、發(fā)送錯(cuò)誤等信息。

1.2 CAN總線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)

(1)利用最少的傳感器信號(hào)線(xiàn)來(lái)傳遞多用途的傳感器信號(hào)，車(chē)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(xiàn)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(qiáng)。

1.3 CAN總線(xiàn)的應(yīng)用狀態(tài)

現(xiàn)在轎車(chē)上大多使用兩種CAN總線(xiàn)，一種是低速CAN總線(xiàn)，傳輸速率為100 Kbps；另一種是高速CAN總線(xiàn)，傳輸速率是500 Kbps。兩條扭絞在一起的導(dǎo)線(xiàn)稱(chēng)為雙絞線(xiàn)，控制單元之間的數(shù)據(jù)交換就是通過(guò)這兩條導(dǎo)線(xiàn)來(lái)完成的。兩種CAN總線(xiàn)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(xiàn)通過(guò)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)切斷，或經(jīng)過(guò)短時(shí)無(wú)載運(yùn)行后切斷；而低速CAN數(shù)據(jù)總線(xiàn)由常火線(xiàn)供電且必須保持隨時(shí)可用狀態(tài)。

1.4 CAN總線(xiàn)的電磁兼容原理

(1)抗干擾。雙絞線(xiàn)保證外界干擾對(duì)CAN總線(xiàn)的兩根數(shù)據(jù)線(xiàn)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(xiàn)保證CAN總線(xiàn)的兩根數(shù)據(jù)線(xiàn)與外界任意一點(diǎn)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(xiàn)上的信號(hào)成鏡像關(guān)系，因此，CAN總線(xiàn)的H線(xiàn)的對(duì)外輻射和L線(xiàn)的對(duì)外輻射具有幅值相同、方向相反的特點(diǎn)。以上兩點(diǎn)加起來(lái)使得CAN總線(xiàn)的兩根數(shù)據(jù)線(xiàn)對(duì)外界任意一點(diǎn)的干擾影響可自行運(yùn)算抵消。

1.5 CAN總線(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程

CAN總線(xiàn)由CAN控制器、CAN收發(fā)器、數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)、數(shù)據(jù)傳輸終端等組成。CB311的ECU(發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元)、TCU(變速器控制單元)、FEPS(無(wú)鑰匙進(jìn)入和無(wú)鑰匙啟動(dòng)系統(tǒng))、組合儀表四個(gè)電控單元通過(guò)CAN總線(xiàn)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(guò)程為：轉(zhuǎn)速值先被復(fù)制到發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元的發(fā)送存儲(chǔ)器，接著，該信息從發(fā)送存儲(chǔ)器進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸總線(xiàn)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(xiàn)的特殊格式，最后等待總線(xiàn)空閑下來(lái)，發(fā)動(dòng)機(jī)信息就會(huì)被發(fā)送出去。信息接收過(guò)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(chē)CAN總線(xiàn)故障分析

2.1 CAN總線(xiàn)故障產(chǎn)生的原因

分析CAN總線(xiàn)系統(tǒng)產(chǎn)生故障的原因一般有以下三種：一類(lèi)是電源故障；一類(lèi)是節(jié)點(diǎn)故障；一類(lèi)是鏈路故障。電源故障一般指電壓超過(guò)正常電壓，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常工作。節(jié)點(diǎn)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(wú)法維修；二是硬件故障：通信芯片或集成電路損壞，一般單獨(dú)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(diǎn)間的通信連接路，鏈路故障包括：短路、斷路和線(xiàn)路因物理性質(zhì)改變而引起的通信訊號(hào)衰減或失真。

2.2 CAN總線(xiàn)故障的一般診斷步驟

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

(2)在檢查數(shù)據(jù)總線(xiàn)系統(tǒng)前，必須保證所有與數(shù)據(jù)總線(xiàn)相連的控制單元無(wú)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(cè)數(shù)據(jù)總線(xiàn)系統(tǒng)。

2.3 CAN總線(xiàn)故障的類(lèi)型

(1)故障類(lèi)型-ECU。CAN總線(xiàn)在汽車(chē)上使用的目的主要是為了實(shí)現(xiàn)信息的快速、實(shí)時(shí)共享，所以在通過(guò)CAN總線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的ECU出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)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(dòng)轉(zhuǎn)向大燈、自動(dòng)變速器的車(chē)型，由于大燈損壞，導(dǎo)致自動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)向大燈電腦將故障信息發(fā)送到了車(chē)載網(wǎng)絡(luò)，自動(dòng)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(huì)有潛在的危險(xiǎn)，所以將自動(dòng)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(lèi)型-網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)是現(xiàn)在很多高級(jí)轎車(chē)上常用的配置，網(wǎng)關(guān)一般和車(chē)載電網(wǎng)單元做在一起，成為一個(gè)電腦，在網(wǎng)關(guān)完全損壞后，將可能會(huì)導(dǎo)致以下問(wèn)題：一是，診斷儀不能進(jìn)入經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)與診斷儀連接的所有電腦；二是，不能進(jìn)入網(wǎng)關(guān)；三是，發(fā)動(dòng)機(jī)不能運(yùn)行。

3 結(jié) 論

汽車(chē)CAN總線(xiàn)作為汽車(chē)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(duì)汽車(chē)的影響越來(lái)越大。本文對(duì)汽車(chē)CAN總線(xiàn)的技術(shù)特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)、應(yīng)用狀態(tài)及傳輸過(guò)程進(jìn)行了分析，也分析了汽車(chē)CAN總線(xiàn)故障產(chǎn)生的原因、故障的類(lèi)型及故障的一般診斷步驟。通過(guò)本文的研究，為汽車(chē)CAN總線(xiàn)的進(jìn)一步研究提供一定的理論基礎(chǔ)。