基于汽車CAN總線概述及其故障檢測方法探討＊

李智杰，李超智

（1.茂名技師學院，廣東 茂名 525000；2.廣州豐達電機廠，廣東 廣州 510000）

1 引言

隨著電子技術的發展，及對人們對汽車安全性、舒適性、經濟性要求的提高，汽車上各電控單元間的數據交換也越來越復雜。如果仍采用常規的布線方式，必然會形成龐大的布線系統。為了滿足各電子系統實時性的要求，需要對汽車公共數據實現實時共享。傳統的電氣網絡已無法適應汽車電子系統的發展，車載網絡技術組成的汽車電子網絡，可以大大地簡化傳統的汽車電路。因此在了解汽車CAN總線結構原理、技術特點的基礎上，掌握CAN總線產生故障種類、原因及檢測的方法和步驟很有必要。

2 汽車CAN總線概述

CAN（Controller Area Network）是車用控制器局域網的縮寫，主要用于各種車載電子控制裝置ECU之間的信息交換，從頁形成汽車電子控制網絡。

2.1 CAN總線系統組成

車載網絡系統一般包括動力傳動系統、舒適系統和信息娛樂系統。通過網關將不同總線系統彼此連接在一起，并在子系統物理結構不同且軟件受限的情況下進行數據交換。

CAN連接一般采用三級結構，即應用程序微控制器、CAN控制器、收發器和CAN數據總線。發送時控制單元內的應用程序微控制器，將有效數據傳輸給CAN控制器，CAN控制器將其轉換為CAN格式，然后傳輸至直接連接在總線的收發器模塊上。接收時，來自總線的信息經收發器讀入CAN控制器，然后由應用程序微控制器通過并行數據線接管經過處理的CAN信息。

2.2 CAN 總線的特點

由于采用了許多新技術及獨特的設計，CAN總線與一般的通信總線相比，它的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性，其特點如下。

①CAN是現場總線中迄今為止唯一具有國際標準的現場總線；

②CAN是以多主節點的方式工作，無主節點和從節點之分，總線上任意節點均可以隨時向總線上其他節點發送報文；

③CAN上的節點不分主從，但根據不同的實時要求，在報文標識符上，將其分成不同的優先級，優先級高的最先傳輸數據；

④CAN采用非破壞總線仲裁技術，當許多個節點同一時間均向總線發送信息，優先級低的節點主動退出發送，而優先級最高的節點可不受影響的繼續傳輸數據，從而大大節省了總線沖突仲裁時間；

⑤CAN節點只需通過對報文的標識符慮波即可實現點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數據；

⑥CAN通信速率最高可達1Mbps，直接通信距離最遠可達10km；

⑦CAN上節點數主要取決于總線上的驅動電路，目前可達110個；

⑧CAN的每幀信息都有CRC校驗及其它檢錯措施，保證數據出錯率很低；

⑨CAN節點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關閉輸出的功能，能夠使總線上其他節點的操作不受干擾；

⑩CAN總線具有較高的性價化［1］。

2.3 數據總線應用

CAN是一種多主總線，通信介質可以是雙絞線，同軸電纜或光導纖維，通信速率可達1mb/s。通過CAN總線，傳感器、控制器、執行器由串行數據線連接起來。CAN在車上主要有三種用途：一是用于車身和舒適系統的低速CAN；二是用于通信、導航、音頻和視頻的CAN；三是用于發動機、變速器、ABS和ESP之間實時通信的高速CAN。

2.4 數據總線傳輸原理

CAN總線是一種現場總線，連接在CAN總線上的控制單元通常通過兩個數據導線彼此連接。兩根導線互相纏繞（雙絞線），稱為CAN＿H和CAN＿L。雙絞線對稱性好、抗干擾能力強，能適用于環境比較惡劣的條件。

同時CAN總線采用差分傳輸技術來改善傳輸的可靠性，進一步消除干擾電壓。CAN總線信息以時序電壓脈沖形式在總線導線上串行傳輸，電平在低位（0）與高位（1）之間切換，CAN控制器根據兩根線上的電位差來判斷總線電平，總線電平分為顯性電平（0）和隱性電平（1），二者必居其一。發送方通過時總線電平發生變化，將消息發送給接收方。

2.5 數據傳輸過程

控制單元向CAN控制器提供數據用于傳輸，CAN收發器從控制器處接收數據，將其轉化為電信號發出，所有與CAN數據總線一起構成網絡的控制單元接收所發出的數據，控制單元對接收到的數據進行檢測，看是否是其功能所需。如果接收到的數據是重要的，它將被認可并進行處理，否則將被忽略掉［1］。

3 汽車CAN總線故障

3.1 故障現象特征

CAN－BUS網絡系統發生故障時一般都有一些明顯的故障特征。故障現象有下列3種：一是整個網絡失效或多個控制單元不工作或工作不正常。二是在不同的系統，不同的地方同時表現出不同的多個故障，且故障現象之間沒有任何關聯。三是個別控制單元或多個控制單元，在接上專用診斷儀后，無法與診斷儀通信。

3.2 故障類型

一般說來，汽車多路信息傳輸系統的故障主要有三種：一是汽車電源系統引起的故障；二是汽車多路信息傳輸系統的鏈路故障；三是汽車多路信息傳輸系統的節點故障。

3.2.1 汽車電源系統故障

（1）故障機理。

汽車多路信息傳輸系統的核心部分是含有通訊IC芯片的電控模塊ECM，電控模塊ECM的正常工作電壓在10.5V－15.0 V的范圍內。如果汽車電源系統提供的工作電壓低于該值，就會造成一些對工作電壓要求高的電控模塊ECM出現短暫的停止工作，從而使整個汽車多路信息傳輸系統出現短暫的無法通訊［2］。

（2）故障實例。

故障現象：一輛上海A品牌轎車，在車輛行駛過程中，時常出現轉速表、里程表、燃油表和水溫表指示為零的現象。用TECH2掃描工具（微機故障診斷儀）讀取故障代碼，發現各個電控模塊均沒有當前故障代碼，而在歷史故障代碼中出現多個故障代碼：SDM（安全氣囊控制模塊）中出現U1040－失去與ABS控制模塊的對話，U1000－二級功能失效，U1064－失去多重對話，U1016－失去與PCM的對話；IPC（儀表控制模塊）中出現U1016－失去與PCM的對話，BCM（車身控制模塊）中出現U1000 －二級功能失效［3］。

故障分析與排除：經過故障代碼的讀取可以知道，該車的多路信息傳輸系統存在故障，因為OBD－Ⅱ規定U字頭的故障代碼為汽車多路信息傳輸系統的故障代碼。通過查閱上海A品牌轎車的電源系統的電路圖可以知道，上面的電控模塊共用一根電源線，并且通過前圍板。由于故障代碼為間歇性的，斷定可能是這根電源線發生間歇性斷路故障。經檢查發現，此根電源線由于磨損導致接觸不良，經過處理后故障排除［3］。

3.2.2 多路信息傳輸節點故障

（1）故障機理

節點是汽車多路信息傳輸系統中的電控模塊，因此節點故障就是電控模塊ECM的故障。它包括軟件故障即傳輸協議或軟件程序有缺陷或沖突，從而使汽車多路信息傳輸系統通訊出現混亂或無法工作，這種故障一般成批出現，且無法維修。硬件故障一般由于通訊芯片或集成電路的故障，造成汽車多路信息傳輸系統無法正常工作。對于采用低版本信息傳輸協議回點到點信息傳輸協議的汽車多路信息傳輸系統，如果有節點故障，將出現整個汽車多路信息傳輸系統無法工作［2］。如圖1所示為汽車多路信息傳輸系統中電控模塊結構組成圖。

（2）故障實例

故障現象：一輛上海B品牌轎車在使用中出現機油壓力報警燈與安全氣囊故障指示燈報警，同時發動機轉速表不能正常運行。用V.A.G.1552故障閱讀儀讀取發動機控制系統的故障代碼，發現有兩個偶發性故障代碼：18044/P165035－安全氣囊控制單元無信號輸出；18048/P165035－儀表數據輸出錯誤。用V.A.G.1552故障閱讀儀讀取儀表系統的故障代碼為：01314049－發動機控制單元無通訊；01321049－到安全氣囊控制單元無通訊。

故障分析與排除：通過讀取故障代碼可以初步判斷故障在于汽車多路信息傳輸系統。通過對汽車電氣線路進行分析，電源系統引起故障的概率很小，故障很可能是節點或鏈路故障。用替換法嘗試安全氣囊控制單元，故障得以排除［4］。

3.2.3 車載網絡系統的鏈路故障

（1）故障機理

當車載網絡系統的鏈路（或通訊線路）出現故障時，如通訊線路的短路、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電控系統錯誤動作。判斷是否為鏈路故障時，一般采用示波器或汽車專用光纖診斷儀來觀察通訊數據信號是否與標準通訊數據信號相符［2］。鏈路故障又分為：CAN＿L斷路、CAN＿L對正極短路、CAN＿L 對負極短路、CAN＿H斷路、CAN＿H 對正極短路、CAN＿H對負極短路、CAN＿H和彼此連接、電阻缺失、CAN＿H 和 CAN＿L 短路、CAN＿H 和 CAN＿L彼此交叉、CAN＿H和CAN＿L彼此連接且對負極短路以及CAN＿H和CAN＿L彼此連接且對正極短路。如圖2所示為車載網絡系統通迅連接線路圖。

圖2 車載網絡系統通迅連接線路圖

（2）故障實例

故障現象：一輛C品牌轎車的電控自動空調系統在開關接通的情況下，鼓風機能工作，但是空調系統卻不制冷。

故障分析與排除：通過觀察，發現空調壓縮機電磁離合器不吸合，但發動機工作正常。檢查電磁離合器線路的電阻值，電阻值符合規定值，檢查空調控制單元的輸出端沒有輸出信號。此時用V.A.G.1552故障閱讀儀讀取發動機控制系統和空調控制系統的故障代碼，均無故障代碼。用V.A.G.1552故障閱讀儀讀取空調控制單元的數據流，發動機的轉速數據為零。由于發動機工作正常，因此發動機控制單元接收的發動機轉速信號應該正常，檢查發動機控制單元和空調控制單元之間的通訊線路，發現兩者之間的專速通訊線的接腳變形造成鏈路斷路，修復接插件后故障排除［5］。

4 CAN系統故障檢測步驟

CAN系統故障檢測診斷步驟如下：①了解該車載網線系統的傳輸特點，包括傳輸介質、幾種子網及網絡及網絡系統的具體結構形式等；②了解該車車載網線系統的基本結構；③了解該車車載網線系統的功能；④檢查車輛電源系統是否存在故障，如交流發電機的輸出波形是否正常等；⑤檢查系統鏈路是否存在故障，可用替代法或跨線法；⑥檢查系統節點是否有故障，可用替代法；⑦利用CAN系統故障自診斷功能［1］。

5 CAN總線故障檢測設備與檢修方法

5.1 故障檢測設備

5.1.1 使用萬能表檢測 CAN 總線。

檢測電壓：在怠速時，連接兩根CAN線路的數字電壓表將會測量0V－這是“1”，CAN＿Hi和CAN1.0的不同，這是怠速狀態。總線上有CAN報文，電壓表就會提示可能0.5V或者總線傳輸的特性確定。這是不同于總線的平均值，以防止響應的電壓過高。這就會讓電壓讀數在維護CAN方面幾乎不起作用。檢測電阻：測量CAN總線的電阻值，車鑰匙必須打到off檔。萬用表的歐姆檔在檢測CAN線路對地短接、電池短接方面起作用。典型的電阻在汽車的OEMs中有打印出來，并且取決于汽車ECM的數量和類型。

5.1.2 使用示波器檢測 CAN 總線

許多總線上的網絡信號傳輸（包括CAN）是不重復的，因此很難用示波器去觸發觀察。數字示波器用于觀察波形。普通示波器依賴于反復出現的圖片，而這需要穩定的、重復信號才能有清晰、無抖動的顯示。如圖3所示為從模擬示波器得到CAN輸出波形的模擬圖像，圖4為采用同樣數碼采樣坐標并存儲的數字圖像，比較圖3、圖4，差別清晰可見。

圖3 模擬示波器的CAN輸出波形

圖4 數字示波器的CAN輸出波形

5.1.3 使用CAN分析儀檢測CAN總線

標準的CAN分析儀器可以讀取CAN傳輸數據，把用戶指定的信息發送到總線上，并提供統計的信息，比如總線加載和總線的錯誤信息。合格的CAN分析器會顯示帶有標識符的CAN報文以及任何數據值。許多分析儀會針對一些特定的CAN報文顯示其縮寫，同時也顯示標識符、數據值、時間，以及一些有效標識符的縮寫［6］。

5.2 檢修方法

CAN總線系統的獨特性決定其故障檢修沒有普遍適用的測量或檢測方法，必須具體情況具體分析。常用的檢測方法有以下幾種。

5.2.1 故障代碼檢修分析

根據CAN總線在行業應用中的要點和故障類型分析，首先分析故障代碼。與普通的汽車電控系統傳感器、執行器故障碼有所不同，如：驅動總線缺乏來自ABS的信息（ABS控制單元未做匹配造成的）；集團數據總線通訊錯誤（網關控制器不能通訊造成的）。

5.2.2 數據流分析

與一般電控系統數據分析一樣，只是網絡系統故障也會造成相關數據發生變化。

5.2.3 波形分析

這是判斷CAN數據導線故障的主要手段，是通過示波器以波形圖的形式，檢查CAN＿H與CAN＿L的工作情況。通過示波器顯示CAN數據導線的波形情況，從而導出CAN數據導線的故障情況。下面簡單列舉出通過示波器檢測到CAN各種工作情況的波形圖，以供參考。圖5所示為驅動CAN正常波形，圖6所示為驅動CAN＿H與CAN＿L短路波形，圖7所示為驅動CAN＿H斷路波形，圖8所示為驅動CAN＿L斷路波形。

圖5 驅動CAN正常波形

圖6 驅動CAN＿H與CAN＿L短路波形

圖7 驅動CAN＿H斷路波形

圖8 驅動CAN＿L斷路波形

5.2.4 控制器匹配、自適應調整

控制器匹配，自適應調整是汽車維修服務過程中常見的服務項目。在沒有采用CAN控制的汽車上，電腦（電控單元）壞了，買一塊新的換上就可以了。而現在許多車型更換電腦后不能馬上工作，還要對電腦進行編碼、還要對控制器或執行器做自適應匹配等操作才能正常工作［7］。

6 結束語

CAN總線技術作為一種可靠的汽車計算機網絡總線，必將在汽車自動控制技術中得到越來越廣泛的應用。作為一名汽車維修人員，只有深入理解CAN總線的工作原理、技術特點、故障特點及檢修檢測方法才能快速、準確地排除采用CAN總線技術的汽車故障。

［1］廖發良.汽車電控系統的結構與檢修［M］.北京：電子工業出版社，2009，448－459.

［2］劉 威，譚小鋒.汽車CAN系統故障原理及波形分析［J］.北京勞動保障職業學院學報，2013，7（2）：50－54.

［3］胡占軍，李玉青，等.車載網絡信息傳輸系統故障診斷與排除［J］.汽車技術，2009，8：57－60.

［4］熊先鋒.汽車網絡技術CAN的應用與檢修［J］.機械與電子，2013，23.

［5］包 珍.汽車CAN總線控制系統的故障檢修應用［J］.黑龍江科技信息，2010，9.

［6］黎永健，趙祚喜.汽車CAN總線及其故障診斷檢測方法［J］.應用科學，2010，2.

［7］楊秀枚，秦啟武.汽車CAN總線及其故障檢修［J］.內江科技，2013，4：121－151.