淺談汽車CAN總線技術及其故障診斷方法

何科宇，莫圣海，陳良忠

（上海中銳教育投資股份有限公司，上海200335）

0 引言

隨著計算機科學和電子科技技術的逐步提高，現代汽車對于使用者來說已不單純只是一個交通工具，汽車同時還需承擔著更多的使用便利功能。使用者需求的日益增加，也推動了汽車技術在不斷革新，大量的控制單元在汽車上應用，加劇了集中控制和分散控制的矛盾，同時使線束由簡單變成了復雜，車輛維修也由此變得困難復雜。隨著CAN總線系統的出現，它有效地解決了汽車控制單元與控制單元之間的數據交換問題。CAN是控制單元通過網絡進行數據交換的一種通信方式，即控制器局域網絡。在對汽車CAN總線系統檢測維修過程中，作為一名汽車維修人員必須在理解其結構組成和工作原理的基礎上，掌握CAN總線系統的故障類型分析及檢修方法。

1 汽車CAN總線系統的組成與分類

汽車 CAN總線系統主要由CAN控制器、CAN收發器、兩根數據傳輸線和兩個數據傳輸終端四部分組成，如圖1所示。

圖1 CAN總線系統的組成

（1）CAN控制器

CAN控制器的主要作用為：一方面接收控制單元微處理器傳來的數據，處理數據并將數據傳往CAN收發器；另一方面CAN控制器也要接收由CAN收發器傳來的數據，處理數據并將其傳往控制單元微處理器，以便控制單元對數據進行確認。

（2）CAN收發器

CAN收發器對外具有接收與發送兩部分功能。發送時它將由CAN控制器傳來的數據翻譯成電壓信號并將其送入兩根數據傳輸線。接收時它能將數據傳輸線上的電壓信號翻譯成相應的數據并將其傳往CAN控制器，以便CAN控制器進行數據處理再發往控制單元微處理器。

（3）數據傳輸終端

數據傳輸終端的作用主要是為了防止數據傳輸過程中在線端出現反射，干擾數據的正常傳輸。常見的汽車CAN總線數據傳輸終端為兩個120 Ω的電阻，也稱為CAN總線終端電阻。

（4）數據傳輸線

為了高效地傳輸數據避免通訊信號被干擾，CAN總線的數據傳輸線采用了雙絞線，分別將CAN-H和CAN-L兩條線纏繞在一起，構成了一個封閉的傳輸通道，使車內外的電磁場對CAN總線的干擾降到最低，同時CAN總線向外輻射也保持最小[1]。

目前汽車上的CAN總線系統主要分為高速CAN總線和低速CAN總線2類。高速CAN總線，速率可以達到500 kb/s，它主要面向通訊實時性要求較高的控制單元，例如汽車牽引力控制、ABS/EDL控制和自動變速器控制等；低速CAN總線，速率一般為100 kb/s，其特征是信號多但通訊實時性要求低，它主要是針對汽車車身控制，例如車燈控制、門鎖控制和車窗升降控制等信號的采集及反饋，實現成本要求低。以大眾速騰為例如圖2所示：高速CAN主要用來控制汽車動力系統方面的控制單元所以也叫驅動CAN；低速CAN可以用來控制車窗、車門或是娛樂系統等控制單元，所以低速CAN又可以分為舒適CAN和娛樂CAN.

圖2 大眾速騰CAN總線系統的拓撲

2 汽車CAN總線系統的工作原理

汽車CAN總線系統的工作原理主要是汽車控制單元之間的數據信息共享。例如汽車的發動機控制單元向汽車CAN總線系統中發送一個數據，其他連接在CAN總線系統上的控制單元均能接收到這一數據，如果數據對汽車的控制單元有作用，就會被接收和處理并執行相應指令，若對控制單元無用，控制單元則忽略這些數據。由此可見，控制單元向CAN總線系統共享的數據沒有指定的接收者，所有連接在系統上的控制單元均能接收到數據。具體的傳輸可分為以下五步。

（1）數據采集：各控制單元的微處理器采集傳感器的信息，并向CAN控制器發送數據。

（2）數據發送：CAN收發器接收從CAN控制器發來的數據，并將其翻譯為電壓信號發往數據傳輸線，此時連接在數據傳輸線上的控制單元均能接收到數據。

（3）數據接收：所有連接在數據傳輸線上的控制單元通過各自的收發系統將數據傳輸線上的電壓信號翻譯成為對應的數據。

（4）數據檢驗：接收到數據的控制單元對數據進行檢驗，檢驗數據格式是否正確，檢驗數據是否為該控制單元所需要的。

（5）數據認可：如果接收到的數據格式是正確的，并且為該控制單元所需要的，數據就會被控制單元的微處理器接收并處理，反之不予理會[2]。

3 CAN總線常見的故障類型分析

目前大多數汽車上都采用CAN總線系統，對CAN總線系統故障的診斷，應該根據不同車系的CAN總線網絡拓撲進行具體分析。一般來說，常見造成汽車CAN總線系統產生故障的原因可大致分為三大類型：

（1）供電系統故障

目前連接在CAN總線系統上的控制單元的工作電壓一般在10.5 V～15 V這個范圍內。如果供電系統提供的工作電壓小于10.5 V，車上的某些控制單元將會停止工作，如果供電大于15 V則控制單元將會燒壞，兩種情況均會使控制單元在CAN總線系統上無法通訊。

故障實例分析：一輛上海大眾polo1.6 L，2004年10月出廠，在車輛行駛過程中，突然熄火，然后再也沒法啟動。用KT600故障診斷儀讀取發動機控制單元故障時，發現診斷儀無法進入發動機控制單元，嘗試了三次均無法進入，懷疑診斷儀鏈接異常。接著嘗試用診斷儀進入自動變速器控制單元來測試診斷儀是否鏈接異常，結果發現診斷儀可以進入，于是判斷為發動機控制單元故障。用診斷儀進入網關數據診斷接口模塊檢測故障，發現發動機控制單元未通訊故障，故障碼清除不了，分析可能是控制單元供電、搭鐵或是控制單元硬件故障，用替換法更換發動機控制單元后故障仍未排除。隨后檢測發動機控制單元的搭鐵，搭鐵正常，檢測供電時發現保險有12 V電壓，但到控制單元對應的端口卻為0 V電壓，所以斷定為保險到控制單元之間的線路問題。取下保險發現保險有燒蝕的痕跡，觀察保險插座發現插座間隙過大也有燒蝕的痕跡。經詢問得知，車輛在安裝行車記錄儀時安裝師傅從保險盒取常電，所以保險插座間隙過大很有可能為安裝行車記錄儀取電時不小心導致的，保險接觸不良時間久了導致保險燒蝕，從而導致控制單元不供電，修理保險插座換上新保險故障排除。

（2）控制單元故障

CAN總線系統的控制單元故障可以分為軟件故障和硬件故障。軟件故障一般發生在維修過程當中的誤操作導致硬件重新編碼，因為硬件重新編碼一般需要幾個步驟，維修誤操作的概率很小，所以軟件故障很少發生。控制單元故障常見是硬件故障，一般由于芯片或集成電路中的電阻、電容或是三極管故障造成的，這種故障一旦出現，會造成控制單元無法工作從而影響CAN總線系統正常工作。

故障實例分析：一輛上海大眾POLO，2008年4月出廠，儀表不亮，鑰匙打到啟動擋汽車起動機無響應，經詢問客戶反映汽車車窗時常不能控制，每次車窗不能控制時，客戶自行斷開車載網絡控制單元（BCM）從新連接后車窗控制恢復正常。用KT600故障診斷儀試圖讀取全車故障時，發現診斷儀與診斷系統建立不了通訊，結合客戶的反映和儀表不亮故障現象，分析認為可能是車載網絡控制單元故障導致集成在里面的網關不工作，從而使診斷儀與汽車診斷系統建立不了通訊，用替換法更換車載網絡控制單元后故障消失，車輛能正常啟動，診斷儀能進入系統，系統無故障。此類故障發生的原因極有可能是客戶在蓄電池負極未斷開或是點火開關未關的情況下，反復拆裝車載網絡控制單元，從而導致車載網絡控制單元內部硬件故障。

（3）CAN總線系統鏈路故障

當CAN總線數據傳輸系統的鏈路出現故障時，例如：數據傳輸線對地短路、對電源短路、斷路和線路物理性質改變引起的通訊信號失真或衰減，均會引起一個或多個控制單元同時無法工作，CAN總線系統不能通訊等故障。判斷是否為鏈路故障，一般采用示波器加專用診斷儀結合讀取通訊數據，采集通訊波形并與標準的數據進行對比。主要的方法有波形檢測和終端電阻的測量。

1）波形檢測

在CAN總線系統中維修人員可以利用示波器對雙絞線進行檢測，采集兩根線中的波形進行分析，通過采集到的波形與標準的波形進行對比分析很容易找出故障原因。

故障實例分析：一輛大眾朗逸轎車，2003年8月出廠，偶爾無法啟動，儀表上時常不顯示。用KT600診斷儀進行診斷時，發現傳動系數據總線不良故障，因為該故障為偶發性的，懷疑是驅動總線鏈路故障，導致汽車的驅動系統無法正常工作，用KT600通用示波模塊在驅動CAN-H和CAN-L分別接入示波器進行波形采集，通過與標準波形對比分析后發現CAN-H線有對地短路的現象，于是逐步排查連接在驅動CAN總線系統上的各個控制單元，當排查到發動機控制單元時，發現發動機控制單元線束與雨刮臂有干涉，線束內的CAN-H線的絕層在雨刮的往復運動中被磨破了，導致與車身接觸形成對地短路，重新包好破損的線束并固定好發動機控制單元故障排除。

2）終端電阻的測量

CAN總線的終端電阻一般安裝在CAN總線系統頭尾兩個控制單元內，兩者處于并聯狀態，在正常工作狀態下總線系統的總電阻值應在60 Ω左右 ，單個終端電阻值應為120 Ω.當總線系統出現斷路故障時，維修人員可以在斷開蓄電池負極的情況下對終端電阻進行測量，如果拔掉一根終端電阻后，檢測到阻值無窮大，則說明CAN總線系統出現了斷路現象[3]。在維修過程當中通過對終端電阻的測量，可以快速地確定CAN總線系統的故障原因，為維修提供了方便快捷的診斷途徑。

4 結束語

綜上所述，汽車CAN總線系統作為現階段汽車應用最廣的總線系統，它的出現使汽車控制單元之間實現了數據共享的信息化發展，全面提升了車輛的各方面性能，同時，也促進了維修人員的技術水平提升。未來汽車的發展趨勢是實現全面自動控制，這將是汽車總線系統的又一次飛躍，維修人員只有不斷地學習和掌握CAN總線系統，才能更好的將其故障診斷方法運用到汽車維修檢測中，為維修業做出相應的貢獻。

參考文獻：

[1]錢 強，王立忠.汽車網絡結構與檢修[M].北京：清華大學出版社，2015.

[2]Konrad Reif（德），譯者孫澤昌.BOSCH汽車電氣與電子[M].中文第2版，德文第6版，北京：北京理工大學出版社，2014.

[3]羅振華，蔣 芬.汽車CAN總線技術及其檢測維修[J].現代經濟信息，2014（09）：387.