基于波形分析的轎車CAN-BUS系統故障診斷研究

張學濤 狄恩倉

（中州大學機電與車輛工程學院，河南 鄭州 450044）

汽車控制單元的數量在不斷地上升，控制單元數量的增加，使得它們之間的信息交換也越來越密集［1］。而CAN數據總線可提供特殊的局域網，為汽車的集群控制器單元進行密集數據交換。汽車CAN（Controller Area Network）總線，稱為控制單元的局域網，它是車用控制單元傳輸信息的一種傳送形式。

1 Can-bus的日趨普及

以大眾汽車集團為例，于1997年率先在PASSAT的舒適系統上采用了傳送速率為62.5Kbit/s的Can-bus，2001年，大眾集團公司進一步提高了Can-bus的設計標準，將舒適系統Can-bus提高到100Kbit/s，驅動系統提高到 500Kbit/s，2003年，大眾集團公司在新PQ35平臺上使用五重結構的Can-bus系統，及單線的LIN-BUS。目前大眾在華銷售所有車型均采用CAN數據總線網絡。

圖1 轎車CAN數據總線網絡

圖2 Can-bus系統組成

2 轎車Can-bus系統的結構

Can-bus系統由CAN收發器、數據傳輸終端和數據傳輸線組成（如圖2所示）。CAN收發器安裝在控制器內部，同時兼具接收和發送的功能，將控制器傳來的數據化為電信號并將其送入數據傳輸線。數據傳輸終端是一個電阻，防止數據在線端被反射，以回聲的形式返回，影響數據的傳輸。數據傳輸線是雙向數據線，由高低雙絞線組成。CAN數據總線的兩條導線分別叫CAN-High和CAN-Low線。兩條扭絞在一起的導線稱為雙絞線。各個CAN系統的所有控制單元都并聯在CAN數據總線上。

Can-bus采用雙絞線自身校驗的結構，如圖3所示，這樣既可以防止電磁干擾對傳輸信息的影響，也可以防止本身對外界的干擾。系統中采用高低電平兩根數據線，控制器輸出的信號同時向兩根通訊線發送，高低電平互為鏡像。并且每一個控制器都增加了終端電阻，以減少數據傳送時的過調效應。

圖3 自身校驗結構的雙絞線

目前轎車上的網絡連接方式主要采用2條CAN。一條用于驅動系統的高速CAN，速率達到500kb/s，主要面向實時性要求較高的控制單元，如發動機、電動機等；另一條用于車身系統的低速CAN，速率是100kb/s，主要是針對車身控制的，如車燈、車門、車窗等信號的采集以及反饋，其特征是信號多，但實時性要求低，因此實現成本要求低。

由于不同區域Can總線的速率和識別代號不同，因此一個信號要從一個總線進入到另一個總線區域，必須把它的識別信號和速率進行改變，能夠讓另一個系統接收，這個任務由網關（Gateway）來完成。另外，網關還具有改變信息優先級的功能。

圖4 CAN數據總線網絡區域

3 示波器波形分析

當Can-bus數據總線系統出現故障時，如：通訊線路短路、斷路以及線路物理性質引起的通訊信號衰減或失真，都會引起多個電控單元無法工作或控制系統錯誤動作。判斷是否為數據總線故障時，可采用示波器來觀察通訊數據信號是否與標準通訊數據信號相符。

4 CAN數據總線典型故障及示波器分析

在CAN-BUS上，信息傳遞是通過兩個一進制邏輯狀態0（顯性）和1（隱性）來實現的，每個邏輯狀態都對應于相應的電壓值控制單元，利用兩條線上的電壓差來確認。

4.1 典型故障1：Can-Low斷路

圖5 Can-Low斷路故障

圖6 Can-Low斷路故障波形

從波形圖上可看出，Can-Low的波形為一條直線，說明Can-Low的電壓基本不變，觀察Can-Low一直處于高電平電壓。結合CAN收發設備內部電路（如圖7所示），Can-Low電路上有上拉電阻，如果Can-Low一直為高電位，則Can-Low為“+”電壓，可判斷出Can-Low處于斷路狀態。

4.2 典型故障2：Can-High斷路

波形圖顯示Can-High的波形為一條直線，說明Can-High的電壓基本不變，而觀察Can-High一直處于低電平電壓。結合CAN收發設備內部電路（如圖7所示），Can-High電路上有下拉電阻，如果Can-High一直處于低電平電壓，則Can-High為接地，可判斷出Can-High處于斷路狀態。

圖7 CAN收發設備內部電路

4.3 典型故障3：Can-Low與地短接

波形圖顯示Can-Low的波形為一條直線，說明Can-Low的電壓基本不變，再觀察Can-Low一直處于低電平電壓，結合CAN收發設備內部電路（如圖7所示），可判斷出Can-Low也處于與地短接狀態。

5 結論

傳統汽車檢測由于沒有使用示波器，經常是汽車明明有故障，而掃描工具檢測卻顯示系統正常。隨著Can-bus在汽車綜合控制上應用的廣泛化，Can-bus的故障診斷技術必將得到重視。

［1］于萬海.汽車單片機與車載網絡技術［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2007.