基于CAN總線的客車電氣系統設計與ASR故障診斷

陳國強

（廈門金龍聯合汽車工業有限公司，福建 廈門 361023）

在國外，CAN總線技術已廣泛應用在客車上，如MAN、奔馳、尼奧普蘭、沃爾沃等客車；在國內，隨著2007年1月1日交通行業標準JT/T 325-2006《營運客車類型劃分及等級評定》[1]的實施，特大型、大型高三和高二等級客車均應采用CAN技術[2]。在我公司，12 m以上車型大量應用CAN總線技術。當前CAN總線技術不僅用于解決車輛設備大量數據交換問題，更是車輛高配的象征。

1 CAN總線電氣系統設計

1.1 總體方案設計

本文所論述的車輛為10 m中型客車，整車配置高檔。控制系統角度大致分為車身電器系統——CAN儀表、記錄儀、燈具等；底盤電控系統——進口電控發動機、進口自動變速器、進口ABS帶ASR防側滑系統、進口電控車身提升系統、TPMS輪胎壓監控系統。

從配置上看整個系統是極其復雜的，各個系統之間需要完成大量的數據共享與交換才能實現整車的最佳運行與管理控制。因此，電氣系統控制方案選擇放棄原該車型非CAN總線方案，而改采用全車CAN總線方案，即通過CAN-bus將車身電器系統、底盤電控系統下的各個ECU單元連接起來[3]。

CAN的運行速度非常快，為了不浪費資源，車身電器系統宜采用低速CAN，底盤電控系統宜采用高速CAN。為了便于研究和設計，分別定義為“車身CAN網”和“動力CAN網”，兩種不同傳輸速率CAN網之間欲實現信息傳遞（如發動機的水溫、機油壓力、轉速等信息）還需設計一個“網橋”。整個網絡構架即為車身CAN網+網橋+動力CAN網，如圖1所示。

1.2 動力CAN網設計

定義由發動機、變速器、ABS/ASR系統等ECU單元或接口構成的網絡為“動力CAN網”。動力CAN網按SAE J1939通信協議高速傳送數據，各系統間可通過網絡進行聯動控制，如ASR驅動防滑要求發動機降扭功能：當ABS/ASR ECU模塊檢測到左驅動輪和右驅動輪滑轉率大于目標滑轉率時，ABS/ASR系統既可通過ASR電磁閥直接實施制動使驅動輪轉速降低，也可以基于SAE J1939協議通過車輛已搭建的CAN-bus向發動機ECM模塊發出降低輸出扭矩的CAN報文請求信息，發動機ECM響應信息后控制發動機扭矩輸出，從而使驅動輪轉速降低直至達到最佳滑轉率內。

根據SAE J1939，CAN-bus兩端分別需要120Ω匹配電阻，其他系統的ECU模塊和網橋、診斷接口掛在匹配阻抗之間，如圖1所示。

1.3 車身CAN網設計

除掛在動力CAN網的系統外，其他系統均掛在同一CAN網，相應定義為“車身CAN網”。因此，車身CAN網涉及的用電設備繁多，應合理設計網絡節點。除儀表和記錄儀外，基于“分布式”控制思想將用電設備劃分，分別由前燈控、前控、頂控、中控、后控、后燈控共6個CAN模塊控制，如圖2所示。

1）前燈控模塊：分管前照燈、前轉向燈、前標志燈、前裝飾燈、前霧燈等前圍燈具。

2）前控模塊：分管刮水器、前門、飲水機、電動駕駛員椅、電動駕駛員窗等駕駛區內設備。

3）頂控模塊：分管速度燈、小燈、轉向燈、制動燈；車內電視、電子鐘、日光燈、閱讀燈等車頂區域設備。

4）中控模塊：分管中門、側標志燈、儲氣筒氣壓傳感器、干燥器、冷凝器等車身中段區域設備。

5）后控模塊：分管空檔傳感器、倒檔傳感器、電池、發電機等車身后段區域設備。

6）后燈控模塊：分管后剎車燈、后轉向燈、后標志燈、后霧燈等后圍燈具。

2 ASR故障診斷

設計好網絡結構，就可以依次完成整車線束設計與安裝、整車電氣系統測試。經調試證明，車身CAN網、動力CAN網均能完成各自的控制工作，兩者之間也能通過網橋完成必要的信息傳遞。但車輛在進行防側滑測試時，發現功能失效。根據1.2所描述的ASR工作原理，將車輛后輪（驅動輪）放在檢測車速的滾筒試驗臺上，前輪在地上，當車子啟動后，后輪高速轉動，前輪不動，驅動輪處于完全打滑的狀態，此時ASR的正常功能是通過CAN網絡使得發動機降速處于怠速狀態[4-7]。

2.1 原因分析

按一般的故障診斷方法依次進行閃碼診斷，無閃碼；檢查系統的電磁閥、傳感器、線路，更換ECU試驗，均沒有發現問題。經過一番周折，不僅花費了大量人力、精力，反而使得問題更加復雜，讓人摸不著邊。

雖然未找出真正原因，但可以確定：系統硬件及其線束連接沒有問題；CAN網構建沒有問題，數據通訊也沒有問題。如果不轉變故障診斷思路，再重新排查，必將是徒勞的。CAN網信息傳遞是通過CAN報文，因此，不妨通過分析功能實現所需報文尋找答案。

經查閱SAE J1939通訊協議[8]，并與發動機系統、ABS/ASR系統的工程師一同討論，檢討功能實現所需滿足兩個條件：當發動機發出的PGN 61444（EEC1）中的SPN899“Engine/Retarder Torque Mode”數據不為“1111（FF）”；ABS/ASR 系 統 發 出 的 PGN 0 （TSC1）中 的SPN897“Override Control Mode Priority”數據不為“11（F）”。如下程序所示。

問題的真正原因是否為CAN-bus傳遞的報文所含信息沒有滿足這兩個條件。如何獲取CAN-bus中的報文、如何分析報文中的數據，需要基于SAE1939通訊協議搭建一個CAN報文監測平臺。

2.2 CAN報文監測

根據試驗條件，選擇廣州致遠的CANPro協議分析儀器。CANalyst-II是該分析儀器的測試軟件，它是專門用于分析基于CAN-bus網絡的高層協議，比如iCAN、DeviceNet等，也可通過腳本配置分析自定義協議[9]。

先根據圖3搭建好了CAN動力網的檢測電路，并在檢測軟件界面預先設置好要檢測報文“EEC1”、“TSC1”信息，然后將車輛重新開到檢測線上，就可以監測報文信息。

從圖4的檢測結果可得，EEC1報文的第一個字節即 SPN899的數據為“F0”，不是“FF”，說明發動機發送的報文信息是正確的；但TSC1報文的第一個字節高四位即SPN897的數據為“F”，說明ABS/ASR系統沒有發出正確信息，發動機接收不到正確的信息，自然沒有按要求降扭矩或減速。

為何ABS/ASR沒有發出正確的數據信息，經與兩家企業深入研討ASR功能解除的制動信號條件（當剎車踏板被踩下或ASR系統從網絡中接收到剎車信號的CAN報文，ASR功能將解除）發現，發動機始終向網絡中發送剎車信息報文[10-11]。

然而實際該車并未向發動機ECM接入制動信號，發動機不應采集到踏板踩下信號，更不應始終發送剎車信息。翻閱發動機接線原理圖，終于找到問題的真正原因。發動ECM剎車開關信號采集管腳定義為常閉觸點（觸點閉合表示未踩剎車，觸點斷開表示踩剎車）：該車未向發動機ECM接入制動信號，ECM就識別為觸點斷開狀態，并在CAN網中發送此信息，因此，影響了ASR的正常工作。

通過以上分析，立即將剎車信號通過一個常閉觸點繼電器接入發動機的ECM第80管腳，重新連上分析儀采集數據，即刻檢測到報文TSC1的第一個字節高四位即SPN897的數據由“F”變為“E”。將車輛重新開到試驗臺試驗，駕駛員猛踩油門，發動機轉速提至1500 r/min以上時，ASR功能指示燈突然點亮，油門立即失效，發動機即刻回到怠速狀態，表明ASR驅動防滑要求發動機降扭的功能起作用[12]。

3 結束語

本文所論述的客車電氣系統設計及系統實現過程中故障診斷案例，很好地說明了CAN總線技術不僅提供了最佳的系統解決方案，也提供了很好的故障診斷手段。CAN總線技術必將在我國客車上廣泛應用。作為一名客車電氣設計工程師應學習、掌握汽車CAN總線技術，敢于去實踐、摸索，使得CAN總線技術為客車電氣設計與故障診斷工作服務。

[1]JT/T 325-2006，營運客車類型劃分及等級評定[S].北京：人民交通出版社，2006.

[2]中國公路學會客車分會，江蘇省交通科學研究院.客車制作工藝技術（第2版）[M].北京：人民交通出版社，2008.12.

[3]馮桑，康迂福，新林權.基于CAN總線的車載智能終端硬件設計[J].公路與汽運，2010，（6）

[4]朱建風，李國忠.常見車系CAN-BUS原理與檢修[M].北京：機械工業出版社，2006.5.

[5]文明.三圖法解析汽車電路及故障診斷[M].北京：電子工業出版社，2006.

[6]（美）Roy S.Cox.汽車第二代車載診斷系統（OBD II）解析 [M].馮永忠.譯.北京：機械工業出版社，2007.1.

[7]張勇，陸勇.CAN總線在車身低速電器中的應用[J].重慶理工大學學報：自然科學版，2010，（6）：5-8.

[8]SAE J1939-71 Revised JAN 2008[CP/DK].

[9]廣州致遠電子有限公司.CANPro協議分析平臺使用指南[CP/DK].

[10]李建秋，趙六奇，韓曉東，等.汽車電子學教程[M].北京：清華大學出版社，2011.5.

[11]南金瑞，劉波瀾.汽車單片機及車載總線技術[M].北京：理工大學出版社，2005.

[12]孫尚志，熊小根，孫駿.汽車驅動防滑控制系統的控制規律研究[J].客車技術與研究，2011，33（4）：10-13.