基于K-CAN Bus信號電平檢測數(shù)據(jù)幀異常傳輸?shù)脑囼?yàn)研究＊

方文 張春化 初宏偉

（1.長安大學(xué)，西安 710064；2.四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都 611130；3.長春汽車工業(yè)高等專科學(xué)校，長春 130011）

主題詞：數(shù)據(jù)幀 傳輸異常 K-CAN bus

1 前言

車身控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（K-CAN）可有效實(shí)現(xiàn)車身區(qū)域內(nèi)實(shí)時數(shù)據(jù)通信和控制信息共享[1-3]，但在工作過程中由于各種原因造成數(shù)據(jù)總線傳輸異常，對電子組件造成危害[4]。因此，研究車身電子系統(tǒng)之間的異常數(shù)據(jù)幀交換，并通過數(shù)據(jù)導(dǎo)線電平分析通訊信號傳輸狀態(tài)具有一定的實(shí)用性[5]。

相關(guān)文獻(xiàn)表明[6-14]，模擬CAN數(shù)據(jù)導(dǎo)線通斷狀態(tài)可直觀監(jiān)測車身網(wǎng)絡(luò)ECU之間數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)、分析控制器局域網(wǎng)總線通信特點(diǎn)、評估和分析數(shù)據(jù)傳輸緩沖區(qū)響應(yīng)時間。目前對CAN總線均采用傳統(tǒng)的正向測試，無法覆蓋更多異常測試環(huán)境[6，11-14]，對CAN數(shù)據(jù)異常傳輸狀況的研究又多關(guān)注于實(shí)時傳輸性能和延時影響，因此均有一定的局限性，且對于通過CAN bus電平準(zhǔn)確監(jiān)測通訊線路數(shù)據(jù)幀傳輸狀態(tài)而開展的試驗(yàn)測試工作較少，針對K-CAN更是鮮見涉及。為此，本文通過IBIM綜合測試盒實(shí)時測定K-CAN車身控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)高頻信號電平異常狀況，對K-CAN數(shù)據(jù)導(dǎo)線信號電平突變值進(jìn)行錯誤識別和處理，判斷數(shù)據(jù)傳輸異常原因。

2 試驗(yàn)裝置及方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)對象為某BMW F18車輛，采用Ethernet、FlexRay、PT-CAN、PT-CAN2、MOST、K-CAN和K-CAN 2作為主總線，采用BSD、D-CAN、LIN、Local-CAN作為子總線。主總線系統(tǒng)負(fù)責(zé)跨系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，包括診斷、編程和設(shè)碼等系統(tǒng)功能；子總線系統(tǒng)用于交換特定系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)量相對較少的數(shù)據(jù)。試驗(yàn)車輛主要參數(shù)見表1。

表1 BMW F18車輛主要技術(shù)參數(shù)

2.2 試驗(yàn)儀器與方法

K-CAN是車身控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，用于數(shù)據(jù)傳輸率較低的車身電子系統(tǒng)組件通信，通過中央網(wǎng)關(guān)模塊與其它總線系統(tǒng)相連。試驗(yàn)車輛的K-CAN采用數(shù)據(jù)傳輸率為100 kBit/s的雙絞線線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。K-CAN數(shù)據(jù)總線的測試裝置如圖1所示。圖1中，波形信號采集設(shè)備是奧地利AVL DiTEST車輛診斷責(zé)任有限公司生產(chǎn)的BMW專用IBIM(AT772CN)綜合測試盒，紅色表筆（連接通道1）測試CAN高位導(dǎo)線通訊數(shù)據(jù)電壓信號，黑色表筆（連接通道2）測試CAN低位導(dǎo)線通訊數(shù)據(jù)電壓信號。通過比較分析高、低位信號的關(guān)聯(lián)變化，識別和判斷出通訊數(shù)據(jù)信號變化規(guī)律。

圖1 K-CAN數(shù)據(jù)總線的測試裝置

式中，T為一個數(shù)字脈沖（碼元）信號的寬度（全寬碼）或重復(fù)周期（歸零碼）；N為一個碼元所取的有效離散值個數(shù)，也稱調(diào)制電平數(shù)，取2的整數(shù)次方。

b.終端電阻值。K-CAN為線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，終端電阻安裝在系統(tǒng)組件內(nèi)部。K-CAN2在中央網(wǎng)關(guān)模塊（ZGM）和接線盒電子裝置（JBE）有120 Ω線路終端電阻，控制系統(tǒng)內(nèi)的電阻并聯(lián)連接，所以按以下方式計(jì)算負(fù)荷電阻的總電阻值:

2.3 總線傳輸數(shù)據(jù)檢測原理

a. 傳輸（比特）率。K-CAN數(shù)據(jù)導(dǎo)線上的電壓電平按待傳輸二進(jìn)制數(shù)值的節(jié)律切換，數(shù)值上等于每秒傳輸構(gòu)成數(shù)據(jù)代碼的比特?cái)?shù)I，即：

式中，R1為ZGM中央網(wǎng)關(guān)模塊終端電阻，R2為JBE接線盒電子裝置終端電阻。

c.信號沿陡度。信號沿陡度以每時間單位伏特方式表示，利用高分辨率IMIB(AT772CN)綜合測試盒觀察。在K-CAN信號電平40%和60%處切割信號沿并以插值方式計(jì)算待檢查信號沿的陡度：

式中，U為信號電平；T為信號時間。

d.差分信號。K-CAN數(shù)據(jù)導(dǎo)線受到網(wǎng)絡(luò)電壓波動或接地偏移干擾，影響信號電平傳輸。為消除干擾電壓，利用差分信號來改善系統(tǒng)的傳輸可靠性。CAN高位和低位導(dǎo)線差分信號電平為：

式中，UCAN_H為CAN高位導(dǎo)線信號電平；UCAN_L為CAN低位導(dǎo)線信號電平。

3 邊界條件對總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?/h2>

3.1 K-CAN總線數(shù)據(jù)穩(wěn)態(tài)傳輸信號波形

K-CAN采用CAN_H和CAN_L構(gòu)成的雙絞線結(jié)構(gòu)，K-CAN_H是K-CAN雙絞線的高位信號線，KCAN_L是K-CAN雙絞線的低位信號線。K-CAN穩(wěn)態(tài)運(yùn)行波形如圖2所示。上、下波形分別對應(yīng)CAN_H高位信號和CAN_L低位信號，呈垂直對稱排列，電平不受干擾地在顯性狀態(tài)與隱性狀態(tài)間切換。CAN_H信號的顯性電壓值約為1 V，隱性電壓值約為5 V；CAN_L信號的顯性電壓值約為4 V，隱性電壓值約為0 V。此狀態(tài)下采集到的CAN網(wǎng)絡(luò)報(bào)文狀況通訊正常，無錯誤幀；信號電平數(shù)值根據(jù)總線負(fù)荷可在幾百毫伏范圍內(nèi)波動。

圖2 總線數(shù)據(jù)正常傳輸信號波形

3.2 K-CAN_H對地加載不同電阻對總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?/h3>

K-CAN_H對地加載不同電阻時其波形的變化如圖3所示。由圖3可看出，隨加載電阻值的減小，CAN_H隱性信號電平從5 V開始，經(jīng)歷振蕩降低躍變逐漸下降至0，顯性信號電平從1 V逐漸下降至0，數(shù)據(jù)導(dǎo)線上隱性狀態(tài)信號電平逐漸與顯性狀態(tài)信號電平匯合成一條直線，失去交替切換變化。這是因?yàn)殡S加載電阻值的減小，CAN_H導(dǎo)線對地短路的趨勢增加，顯性和隱性信號電平受到對地短路電壓的影響增大，逐步振蕩躍變下降。

當(dāng)CAN_H數(shù)據(jù)導(dǎo)線無信號電平傳輸時，實(shí)測波形為無變化趨勢的對地電壓0 V直線，CAN_H數(shù)據(jù)導(dǎo)線對地短路。此時錯誤幀觸發(fā)，K-CAN啟動應(yīng)急運(yùn)行特性，使用CAN_L導(dǎo)線作為單線總線運(yùn)行。盡管K-CAN數(shù)據(jù)仍能通過CAN_L導(dǎo)線正常傳輸，但已不能利用差分信號消除干擾電壓，易受到網(wǎng)絡(luò)電壓波動或接地偏移影響，系統(tǒng)傳輸可靠性變差。

圖3 K-CAN_H對地加載不同電阻波形分布

3.3 K-CAN_H對電源加載不同電阻對總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?/h3>

K-CAN_H對電源加載不同電阻時其波形的變化如圖4所示。由圖4可看出，隨加載電阻值的減小，CAN_H顯性信號電平從1 V開始，經(jīng)歷振蕩升高躍變逐漸上升至電源電壓，隱性信號電平從5 V開始，經(jīng)歷振蕩升高躍變逐漸上升至電源電壓，數(shù)據(jù)導(dǎo)線上無法觀察到信號電平從顯性狀態(tài)到隱性狀態(tài)的來回切換。這是因?yàn)殡S加載電阻值的減小，CAN_H導(dǎo)線對電源短路的趨勢增加，顯性和隱性信號電平受到電源短路電壓的影響增大，逐步振蕩躍變上升。

當(dāng)CAN_H數(shù)據(jù)導(dǎo)線沒有信號電平傳輸時，實(shí)測波形為沒有變化趨勢的供電電壓UB+直線，CAN_H數(shù)據(jù)導(dǎo)線對供電電壓UB+短路。此時錯誤幀觸發(fā)，K-CAN啟動應(yīng)急運(yùn)行特性，使用CAN_L導(dǎo)線作為單線總線運(yùn)行。此時K-CAN數(shù)據(jù)仍能通過CAN_L導(dǎo)線正常傳輸，但抗干擾能力變差。

3.4 K-CAN_L對地加載不同電阻對總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?/h3>

K-CAN_L對地加載不同電阻時其波形的變化如圖5所示。由圖5可看出，隨著加載電阻值的減小，CAN_L顯性信號電平從4 V開始，經(jīng)歷振蕩降低躍變逐漸下降至0 V，隱性信號電平保持0 V，數(shù)據(jù)導(dǎo)線上隱性狀態(tài)信號電平逐漸與顯性狀態(tài)信號電平匯合成一條直線，失去交替切換變化。這是因?yàn)殡S加載電阻值的減小，CAN_L導(dǎo)線對地短路的趨勢增加，顯性和隱性信號電平受到對地短路電壓的影響增大，逐步振蕩躍變下降。

圖4 K-CAN_H對電源加載不同電阻波形分布

圖5 K-CAN_L對地加載不同電阻波形分布

當(dāng)CAN_L數(shù)據(jù)導(dǎo)線沒有信號電平傳輸時，實(shí)測波形為沒有變化趨勢的對地電壓0 V直線，CAN_L數(shù)據(jù)導(dǎo)線對地短路。此時錯誤幀觸發(fā)，K-CAN啟動應(yīng)急運(yùn)行特性，使用CAN_H導(dǎo)線作為單線總線運(yùn)行。此時KCAN數(shù)據(jù)仍能通過CAN_H導(dǎo)線正常傳輸，但已不能利用差分信號消除干擾電壓，系統(tǒng)抗干擾能力變差。

3.5 K-CAN_L對電源加載不同電阻對總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?/h3>

K-CAN_L對電源加載不同電阻時其波形變化如圖6所示。由圖6可看出，隨著加載電阻值的減小，CAN_L顯性信號電平從4 V開始，經(jīng)歷振蕩升高躍變逐漸上升至電源電壓，隱性信號電平從0 V開始，經(jīng)歷振蕩升高躍變，逐漸上升至電源電壓，數(shù)據(jù)導(dǎo)線上無法觀察到信號電平從顯性狀態(tài)到隱性狀態(tài)的來回切換。這是因?yàn)殡S加載電阻值的減小，CAN_L導(dǎo)線對電源短路的趨勢增加，顯性和隱性信號電平受到電源短路電壓的影響增大，逐步振蕩躍變上升。

當(dāng)CAN_L數(shù)據(jù)導(dǎo)線沒有信號電平傳輸時，實(shí)測波形為沒有變化趨勢的供電電壓UB+直線，CAN_L數(shù)據(jù)導(dǎo)線對供電電壓UB+短路。此時錯誤幀觸發(fā)，K-CAN啟動應(yīng)急運(yùn)行特性，使用CAN_H導(dǎo)線作為單線總線運(yùn)行。此時K-CAN數(shù)據(jù)仍能通過CAN_H導(dǎo)線正常傳輸，但抗干擾能力變差。

圖6 K-CAN_L對電源加載不同電阻波形分布

3.6 K-CAN_H與K-CAN_L之間加載不同電阻對總線數(shù)據(jù)傳輸影響

K-CAN_H與K-CAN_L之間加載不同電阻時其波形的變化如圖7所示。由圖7可看出，隨著加載電阻值從2500 Ω至1000 Ω的逐步減小，CAN_H顯性信號電平保持在1 V，CAN_L顯性信號電平保持在4 V；CAN_H隱性信號電平從5 V降低到4.2 V，CAN_L隱性信號電平從0 V逐漸升高至0.5 V。這是因?yàn)镃AN_H與CAN_L導(dǎo)線傳輸?shù)男盘栯娖綐O性相反、幅值相等，呈上下對稱排列，隨著加載電阻值的減小CAN_H、L信號電平疊加，利用差分信號原理進(jìn)行抗干擾數(shù)據(jù)傳輸。

隨加載電阻值繼續(xù)從1 000 Ω至0 Ω的逐步減小，CAN_H顯性信號電平從1 V、CAN_L顯性信號電平從4 V開始逐漸疊加至4 V；CAN_H隱性信號電平從5 V、CAN_L隱性信號電平從0 V開始逐漸疊加至0 V。這是因?yàn)镃AN_H、CAN_L短路趨勢增加，觸發(fā)錯誤幀，KCAN啟動應(yīng)急運(yùn)行特性，雙線合并為單線，系統(tǒng)切換到單線模式運(yùn)行。此時K-CAN數(shù)據(jù)仍能正常傳輸，但抗干擾能力變差。

圖7 K-CAN_H與K-CAN_L之間加載不同電阻波形分布

3.7 K-CAN_H或K-CAN_L導(dǎo)線斷路對總線數(shù)據(jù)傳輸影響

從圖8a可看出，CAN_H信號電壓電平值約為5 V直線，CAN_L信號的顯性電平電壓值為4 V，隱性電平為0 V，由此可以判定CAN_H導(dǎo)線斷路；由圖8b可以看出，CAN_L信號電壓電平值約為0 V直線，CAN_H信號的顯性電平電壓值為1 V，隱性電平為5 V，由此可以判定CAN_L導(dǎo)線斷路。當(dāng)CAN_H或CAN_L導(dǎo)線斷路時，錯誤幀觸發(fā)，K-CAN啟動應(yīng)急運(yùn)行特性，使用CAN_L或CAN_H導(dǎo)線作為單線總線運(yùn)行。

圖8 CAN_H或K-CAN_L導(dǎo)線斷路測試波形

3.8 K-CAN_H與K-CAN_L互換對總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?/h3>

通過將K-CAN上CON控制器模塊的H、L導(dǎo)線互換，其波形變化如圖9所示。由圖9可看出，CAN_L顯性信號電平為5 V，隱性信號電平保持在1 V；CAN_H顯性信號電平從4 V到5.5 V波動，隱性信號電平保持在4.7 V。這是因?yàn)镠、L導(dǎo)線互換后，信號電平也隨之互換傳輸，同時抗干擾差分信號造成的信號電平疊加，引起數(shù)據(jù)紊亂，錯誤幀觸發(fā)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)信號不能正常傳輸。K-CAN車身控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)所有電子模塊的H、L導(dǎo)線互換均顯示相同變化規(guī)律。

圖9 K-CAN_H、K-CAN_L互換波形分布

4 結(jié)束語

針對總線數(shù)據(jù)幀傳輸異常問題，利用IBIM綜合測試盒實(shí)時測定了BMW F18車輛的K-CAN信號電壓突變值，識別和判斷出數(shù)據(jù)幀傳輸異常原因，結(jié)果如下：

a.K-CAN信號波形異常表明總線數(shù)據(jù)幀傳輸異常，相關(guān)線路存在故障，造成K-CAN信號電平突變，觸發(fā)錯誤幀運(yùn)行。

b.對于不同原因引起的K-CAN錯誤幀信號雜波，其形態(tài)會有一定程度的區(qū)別。探索加載電阻值和不同雜波的對應(yīng)關(guān)系，分析比較K-CAN錯誤幀信號電平波形，可以進(jìn)一步鎖定導(dǎo)致數(shù)據(jù)幀異常的故障部位和深層次原因。

c.采用波形分析方法可實(shí)現(xiàn)K-CAN總線數(shù)據(jù)幀傳輸異常狀況的甄別，利用波形測試K-CAN數(shù)據(jù)幀傳輸狀態(tài)有較好可行性。