電控柴油車常見總線結(jié)構(gòu)與故障診斷分析

【摘" 要】當前電控柴油車總線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在汽車領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。為了更好地理解和解決柴油車總線網(wǎng)絡(luò)故障，文章根據(jù)實車分析歸納出3種常見柴油車總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分別為單一CAN總線網(wǎng)絡(luò)、中繼CAN網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)和分支LIN總線網(wǎng)絡(luò)。通過對這3種網(wǎng)絡(luò)特點的分析，總結(jié)出各自常見故障的檢測與診斷方法，對當前柴油車型總線網(wǎng)絡(luò)的故障修理有較強的適用性和指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】柴油車;總線故障;CAN總線;LIN總線

中圖分類號：U463.6" " 文獻標識碼：B" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）12-0088-03

The Common Bus Structure and Fault Diagnosis Analysis of Army Military Transportation University

【Abstract】At present，the bus communication network technology of electronically controlled diesel vehicle has been widely applied in the field of automobiles. In order to better understand and solve the bus network faults of diesel vehicles，this paper analyzes the common bus network structures of diesel vehicles based on the actual vehicle，and summarizes three common bus network structures of diesel vehicles，namely，single CAN bus network，relay CAN gateway network，and branched LIN bus network. Through the analysis of the characteristics of these three networks，the author summarizes the common fault detection and diagnosis methods of each network，which has strong applicability and guidance significance for the current fault repair of diesel vehicle models with bus network.

【Key words】diesel vehicle;bus fault;CAN bus;LIN bus

1" 概述

隨著柴油車電控發(fā)動機的逐漸普及，總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在柴油車中的運用愈發(fā)廣泛。在常見的柴油車車載網(wǎng)絡(luò)中，CAN總線和LIN總線等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，然而這也逐漸成為柴油車輛檢測和修理的難點問題。CAN總線作為柴油車中應(yīng)用最為廣泛的總線網(wǎng)絡(luò)，由德國Bosch公司在20世紀80年代開發(fā)，如今已在汽車局域網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。它通過連接汽車上的各電控系統(tǒng)，發(fā)揮著監(jiān)測、控制和信息傳遞等重要功能。CAN總線的線路連接通常由2條數(shù)據(jù)傳輸線組成，即CAN高線（CAN-H）和CAN低線（CAN-L），如圖1所示。在CAN總線的節(jié)點控制器上設(shè)置有數(shù)據(jù)發(fā)送與接收模塊，分別向這2條連接線路發(fā)送電壓信號。這些電壓信號表示一系列的二進制序列，分為隱性電平和顯性電平，分別代表數(shù)字信號的1和0。這種獨特的信號傳輸方式使得CAN總線能夠高效地在汽車各電控系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)交換和通信，為柴油車的穩(wěn)定運行和智能化控制提供了有力支持。

在柴油車常見的通信網(wǎng)絡(luò)中，CAN總線一般有3種不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)：①單一CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即主要的CAN通信都在一條總線網(wǎng)絡(luò)上;②有網(wǎng)關(guān)的中繼CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即通過網(wǎng)關(guān)連接不同波特率的CAN總線網(wǎng)絡(luò);③分支LIN總線網(wǎng)絡(luò)，它屬于CAN總線的分支結(jié)構(gòu)，也是常用的總線網(wǎng)絡(luò)。

2" 柴油車常見總線結(jié)構(gòu)

2.1" 單一CAN總線網(wǎng)絡(luò)

單一網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一種較為簡單的CAN通信網(wǎng)絡(luò)，其數(shù)據(jù)傳輸都在一條總線網(wǎng)絡(luò)上完成，這種CAN總線一般是動力CAN總線。總線連接的只有各電控節(jié)點，具有統(tǒng)一的通信速率（波特率），數(shù)據(jù)傳輸端對端不經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)中繼。單一CAN總線網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

2.2" 中繼CAN總線網(wǎng)絡(luò)

中繼CAN總線網(wǎng)絡(luò)是一種具有獨特優(yōu)勢的總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。它帶有網(wǎng)關(guān)中繼器，其中每條主干線可以看作單一的CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。網(wǎng)關(guān)中繼器在網(wǎng)絡(luò)中起到了關(guān)鍵的連接作用。它連接的各支線網(wǎng)絡(luò)和干線可能具有不同的通信速率，然而卻能夠進行有效的互聯(lián)互通。這種特性使得中繼CAN總線網(wǎng)絡(luò)能夠適應(yīng)不同電控系統(tǒng)的通信需求，提高了網(wǎng)絡(luò)的靈活性和兼容性。同時，這種結(jié)構(gòu)有利于提高CAN總線的通信距離。通過中繼器的信號放大和轉(zhuǎn)發(fā)功能，可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁h的距離，滿足大型車輛或復(fù)雜電控系統(tǒng)的通信要求。此外，它還能增加電控節(jié)點的最大數(shù)量。隨著汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展，車輛上的電控節(jié)點越來越多，中繼CAN總線網(wǎng)絡(luò)能夠更好地滿足這種增長的需求，為車輛的智能化和功能擴展提供了有力支持。

2.3" 分支LIN總線網(wǎng)絡(luò)

在CAN網(wǎng)絡(luò)分支下存在一種子網(wǎng)絡(luò)LIN總線。汽車LIN總線是一種單線通信總線，在汽車中有著特定的應(yīng)用場景，常用于汽車門鎖、車窗等傳遞開關(guān)數(shù)據(jù)的場合。例如，服務(wù)車門鎖和車窗控制的總控模塊（一般是主駕駛車門模塊），不僅是CAN總線的一個節(jié)點，還是LIN總線的主模塊。LIN總線車窗控制網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

LIN通信總線的拓撲結(jié)構(gòu)為一主多從的關(guān)系，單線傳輸，瞬時工作的高電平為12V，低電平為0V，其工作波形如圖5所示。

3" 單一CAN總線網(wǎng)絡(luò)故障診斷分析

3.1" CAN線導(dǎo)線斷路故障

在線性CAN總線中，由于其線路單一性，一旦出現(xiàn)線路斷路的情況，會產(chǎn)生兩種結(jié)果：一種是有終端電阻的節(jié)點斷路，另一種是不含終端電阻的節(jié)點斷路。這兩種情況都會產(chǎn)生故障碼和節(jié)點功能異常，二者的區(qū)別在于前者會引起CAN總線2條線路間的電阻值發(fā)生變化，進而引起通信異常故障，而后者只對特定節(jié)點產(chǎn)生影響。

在CAN線的雙絞線上設(shè)有2支120Ω終端電阻，正常情況下測量兩線間的電阻值正常為56Ω左右（此為終端電阻、節(jié)點阻值并聯(lián)后電阻值）。在此類故障情形中，首先可對CAN-H和CAN-L線路間的電阻值進行檢測，如果電阻值出現(xiàn)變化，則表明有終端電阻的節(jié)點發(fā)生斷路。當阻值約為120Ω時，意味著二者之中其一發(fā)生斷路;當阻值為無窮大，則表明二者皆斷路。

當不含終端電阻的節(jié)點線路發(fā)生斷路時，總線上的部分功能會缺失，但并不影響數(shù)據(jù)的傳輸和完好節(jié)點的通信。對故障節(jié)點進行阻值檢測時，若測量點測得電阻值為56Ω，則表明該節(jié)點與主網(wǎng)絡(luò)連接情況良好;若測量點測得阻值極大，則表明在斷路發(fā)生之后，該點已與網(wǎng)絡(luò)斷開。通過對故障點的定位，可排除相應(yīng)短路故障。

對于線性單一CAN總線的斷路問題，可以根據(jù)故障信息有針對性地檢查相應(yīng)線路。在檢測過程中，確定斷路發(fā)生在總線的具體位置，常見的診斷方法是對CAN總線兩端電阻值進行斷電測量。

3.2" CAN線導(dǎo)線短路故障

在CAN線短路的故障中，通常會出現(xiàn)兩種情況：一種是對電源線的短路，包括5V的ECU供電電源、24V的蓄電池供電和對地的短路;另一種則是CAN-H和CAN-L線路之間的短路。

短路故障一般表現(xiàn)為CAN總線兩導(dǎo)線的電壓異常，一般需要使用萬用表或者示波器對其電壓進行檢測。正常情況下，CAN-H和CAN-L線的電壓一般為2.65V和2.35V，且CAN-H高于2.5V，CAN-L低于2.5V。

當出現(xiàn)對電源短路時，測量CAN線電壓會測得與短路電源的同等電壓。比如，對5V的短路會測得5V電壓，對地的短路則會測得0V電壓。

當CAN-H和CAN-L線相互短路時，會測得穩(wěn)定的2.5V電壓和0Ω的線間電阻。在有數(shù)據(jù)傳輸?shù)腃AN線上，CAN-H和CAN-L電壓有高有低，而穩(wěn)定的電壓則說明有CAN線短路故障發(fā)生。

3.3" CAN線節(jié)點故障

CAN線節(jié)點的損壞往往會造成CAN線內(nèi)部的短路和斷路。其中，與電源線路的短路、內(nèi)部間的短路都會對整個網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生影響，然而斷路往往不會產(chǎn)生影響。在此情況下，可以采用最小電路法，即斷開可能出現(xiàn)故障的節(jié)點的插接件，取消其在網(wǎng)絡(luò)中的連接，即可恢復(fù)整個網(wǎng)絡(luò)的正常工作。

這種方法適用沒有終端電阻的節(jié)點。對于有終端電阻的節(jié)點，仍然可以通過檢測其電阻值的情況來進行判斷。這是因為節(jié)點中CAN模塊的損壞往往會導(dǎo)致其終端電阻發(fā)生變化，常見的故障點包括終端電阻或線路的斷路和內(nèi)部線路的短路。此時節(jié)點內(nèi)部電阻值會變?yōu)?或者無窮大。在排除故障時，一般需要拆下其總線連接線路，對該節(jié)點內(nèi)部的終端電阻進行單獨檢測。

4" 中繼CAN總線網(wǎng)絡(luò)故障診斷分析

4.1" 個別CAN網(wǎng)絡(luò)故障

由于多個CAN網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)關(guān)進行“匯聚”，因此在網(wǎng)關(guān)處可以對整個CAN網(wǎng)絡(luò)進行總覽。一般可通過故障碼確定故障點所處的CAN網(wǎng)絡(luò)，通過對不同CAN線中的電阻、電壓、波形的檢測，可以有針對性地查出相應(yīng)的故障點。

在診斷CAN網(wǎng)絡(luò)中，診斷儀接入之前，終端電阻只有1個，診斷儀接入后，才有2個120Ω電阻，此時CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)才得以完整，CAN的網(wǎng)絡(luò)也會被喚醒，進而開始進行數(shù)據(jù)的收發(fā)。連接診斷儀的CAN線一般經(jīng)過OBD插頭和診斷儀相連，因此OBD插頭是測量該總線的最佳測量點。通過測量OBD接口的休眠電壓值、總線電阻值，可以判斷CAN網(wǎng)絡(luò)的好壞。

4.2" CAN網(wǎng)關(guān)的故障

CAN網(wǎng)關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)不同波特率的CAN網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)的交換，并對數(shù)據(jù)進行實時轉(zhuǎn)發(fā)。它不僅為CAN總線服務(wù)，還能為LIN總線服務(wù)，其功能類似于家用互聯(lián)網(wǎng)的路由器，包括網(wǎng)絡(luò)故障自診斷功能、數(shù)據(jù)備份功能等。CAN網(wǎng)關(guān)的主要外圍線路包括24V供電的外圍電路及多路CAN總線的線路。

當網(wǎng)關(guān)出現(xiàn)故障時，如果網(wǎng)關(guān)作為一個普通節(jié)點，那么將不會影響其他節(jié)點和整個網(wǎng)絡(luò)的正常工作;如果作為終端電阻的節(jié)點，則會對整個網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點的運行產(chǎn)生整體性的影響。此時，依然可通過對各CAN線電壓值、電阻值進行檢測來判斷其故障發(fā)生的位置。不過，由于一般的CAN網(wǎng)關(guān)都有自診斷功能，因此可以通過診斷儀連接網(wǎng)關(guān)的情況，來判斷網(wǎng)關(guān)是否開始工作。當發(fā)生CAN網(wǎng)絡(luò)集體通信故障時，網(wǎng)關(guān)模塊的功能可能會失效，此時應(yīng)先對CAN網(wǎng)關(guān)的外圍電路進行診斷，判斷其是否上電工作，之后再進一步分解診斷。

5" 分支LIN總線網(wǎng)絡(luò)故障診斷分析

5.1" LIN線主從兩端導(dǎo)線斷路故障

LIN線主從兩端之間導(dǎo)線斷路后，會引發(fā)LIN總線通信故障。斷線故障點會導(dǎo)致個別節(jié)點工作不正常，此時應(yīng)依據(jù)故障現(xiàn)象來判別故障點位置。比如，若所有LIN總線子節(jié)點不工作，則表明主節(jié)點線路可能存在故障。

對于線路的具體斷點位置，可以通過萬用表進行總線工作電壓的測量來判斷。正常情況下，總線工作電壓在9V左右，如果處于休眠狀態(tài)，電壓為11V左右。當測量主節(jié)點一端約9V，從節(jié)點一端約11V時，可證明該段連接線路出現(xiàn)斷路。當然，也可以使用功率試燈或者示波器來進行更為準確的測量。

5.2" LIN節(jié)點的損壞故障

當LIN節(jié)點出現(xiàn)損壞時，會引發(fā)故障碼和相應(yīng)的功能故障。比如，主節(jié)點的損壞會引起主節(jié)點對從節(jié)點的控制失效;從節(jié)點的損壞則會導(dǎo)致從節(jié)點控制功能的失效。

節(jié)點的損壞一般會導(dǎo)致LIN線與供電線路的短路。由于LIN線具有單一線路的特點，會引起LIN總線大多數(shù)線路的電壓異常，即電壓全部異常，功能全部缺失的情況。

在進行故障排除時，可以采用拆下部分子節(jié)點的方法，逐一確定故障模塊。當拆下故障模塊的插接線后，LIN總線上的電壓就會恢復(fù)正常，通信和功能也會恢復(fù)正常。

5.3" LIN傳輸導(dǎo)線的短路故障

除了上述兩種常見故障外，LIN總線的短路故障也不能忽視，這種情況的故障現(xiàn)象易與前兩者情形相混淆。當導(dǎo)線發(fā)生短路故障（包括對地的短路和對電源正線的短路）時，會致使LIN線上的電壓值發(fā)生變化。此時應(yīng)首先排除模塊短路的情況，通過對模塊的插拔，檢測電路上電壓的變化，從而確定故障所在范圍。當LIN總線和24V電源線短路時，電路測量值為恒定24V;當LIN總線和5V電源線短路時，電路測量值會略高于5V;當LIN總線和搭鐵線短路時，電路測量會接近于0V，并且和搭鐵之間的斷電測量電阻小于5Ω。

6" 結(jié)論

電控柴油車總線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用對汽車行業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。本文通過對柴油車常見的單一CAN總線網(wǎng)絡(luò)、中繼CAN總線網(wǎng)絡(luò)和分支LIN總線網(wǎng)絡(luò)3種總線結(jié)構(gòu)進行詳細分析，并分別闡述了各種結(jié)構(gòu)下常見故障的診斷方法，為柴油車總線網(wǎng)絡(luò)的故障修理提供了較強的適用性和指導(dǎo)意義。隨著汽車技術(shù)的不斷進步，我們應(yīng)持續(xù)深入研究電控柴油車總線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，不斷完善故障診斷方法，提高故障排除效率，以確保柴油車的穩(wěn)定運行和智能化控制，為汽車行業(yè)的持續(xù)發(fā)展貢獻力量。

參考文獻：

[1] 高恩壯，于彥權(quán)，鄭宇鋒，等. 卡車制造端的CAN總線故障分析與排除（1）[J]. 汽車電器，2023（4）：83-85，88.

[2] 龍超. 汽車CAN總線技術(shù)及其檢測維修探討[J]. 中國設(shè)備工程，2018（19）：129-130.

[3] 潘石寶，索明何. 汽車CAN總線故障診斷[J]. 內(nèi)燃機與配件，2022（23）：82-84.

[4] 牛躍聽，周立功，張玉泉，等. CAN總線嵌入式開發(fā)——從入門到實踐（第3版）[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2020.