汽车CAN总线技术简析及其故障诊断一例

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  摘 要: 如今已有多种网络标准,本文主要介绍CAN 总线技术。CAN 总线技术是为解决汽车上的布线难度和电控模块与模块之间的数据通信而开发的串行通信协议,CAN总线技术能够适应的环境域宽广,响应速度快,在信息传遞、资源共享方面有它独特的优势,并可有效减少线束的总量,提高布线效率和降低成本;同时汽车CAN总线也有着独特的结构和工作特性,所以在故障的诊断和排除方面也有别于其它传统的线路和电器设备,值得注意,本文特举一例说明。
  关键词: CAN总线;原理;检测;故障诊断
  【中图分类号】 F407.471
  【文献标识码】 B
  【文章编号】 2236-1879(2017)10-0156-04
  1 概述
  随着科技的进步,汽车上的电子设备玲琅满目,无论是动力系统还是安全系统,在其工作的时候都需要进行系统之间的数据通信和数据交换,从而形成了一个庞大而复杂的网络系统。那么,如何才能使这个大系统能够正常地工作,完成大量数据具有优先级别的正确传输,并保证数据传输的实时性以及诊断能力呢?很明显,对于传统的、单一的、相互间少有联系的点对点通信方式是很难满足要求的。另外,对汽车公共数据的共享,如发动机水温、车速轮速、油门踏板位置等,传统方式也无法满足。为此,产生了CAN总线技术,并且能够很好的解决上述问题。
  2 CAN总线技术的构造与原理
  CAN总线是控制器局域网络(Controller Area Network)”的简称。CAN总线是一种现场总线,是以研发和生产汽车电子产品的德国Bosch公司为解决现代汽车中众多的电控模块(ECU)之间的数据交换而开发的一种串行通信协议。主要用来实现车载各电控单元之间的信息交换,形成车载网络系统,它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠、高效的数据通信提供了强有力的支持。它具有信息共享,减少了导线数量,大大减轻线束的重量,控制单元和控制单元插脚最小化,提高可靠性和可维修性等优点。其工作采用单片机作为直接控制单元,用于对传感器和执行部件的直接控制。每个单片机都是控制网络上的一个节点,一辆汽车不管有多少块电控单元,不管信息容量有多大,每块电控单元都只需引出两条导线共同接在节点上,这两条导线就称作数据总线。
  CAN总线系统一般由一个CAN控制器、一个CAN收发器、两个数据传输终端和两条数据传输线组成。控制器是双向作用的,既可接收控制单元中微电脑传来的数据,并对这些数据进行处理后再传往收发器。又可以接收由收发器传来的数据,对这些数据进行处理后再反传回控制单元中的微电脑。收发器是用来把控制器传来的数据转化为电信号并将其送入数据传输线,同时也为控制器接收和转发数据。数据传输终端是一个电阻器,它的作用是防止数据在线端被反射,并以回声的形式返回。从而保证了数据的正确传送,终端电阻装在控制单元内。CAN数据传输线是用以传输数据的双向数据线,分为CAN高位(CAN—High)和低位(CAN—Low)数据线。数据没有指定接收器,数据通过数据总线发送给各控制单元,各控制单元接收后进行计算。为了防止外界电磁波干扰和向外辐射,CAN总线采用2条线缠绕在一起,如图2-1所示。2 条线上的电位是相反的,如果一条线的电压是5V,另一条线就是0V,2条线的电压和等于常值。通过该种办法,CAN总线得到保护而免受外界电磁场干扰,同时CAN总线向外辐射也保持中性,即无辐射。
  系统中某一电脑利用CAN收发器向汽车CAN总线发送数据,通过汽车CAN总线可将该电脑发出的数据传送到其它电脑。其它电脑利用各自的CAN收发器接收到这一数据后,转换信号并发给本电脑的控制器。CAN数据传输系统的其它电脑收发器均可接收到此数据,但是要检查判断此数据是否是所需要的数据,如果是将接受数据,如果不是将忽略掉而拒绝接受。
  用CAN组成汽车网络系统资料信息量非常大,有快速变化信号和渐变信号。为保证总线上交通畅通,重要信息在发生总线访问冲突时优先发送,为了合理地安排资料信息,总线访问优先级显得尤为重要。各电子控制单元正常工作所能容许的最大时间延迟是决定资料访问总线优先级的最主要因素。对扭矩、车速及发动机转速等快速变化的信号必须进行高速采样, 并以相应的速率在总线上传输, 数据的总线访问优先级也高。对进气温度、冷却液温度、燃油溫度等变化较慢的信号每隔100ms或1min采样1次就完全足够,数据的总线访问优先级相应地就很低。同样如果1个参数信号对控制系统的正常工作显得非常重要,也可获得较高的优先级。
  值得注意的是,数据的总线访问优先级的设定不是固定不变的,而是随着各种外部参数和汽车的驾驶情况变化而不断变化的。如发动机控制,无论是点火时间控制,还是燃油喷射控制,都必须和发动机的转速同步,发动机转速较高时, 控制信号的总线访问优先权提高,发动机转速较低时,控制信号的总线访问优先权相应降低。
  3 汽车CAN总线的故障
  CAN 总线网络控制系统在低电压、小电流下工作,状态相当可靠,一般情况下极少发生故障,另一方面,由于导线大量减少,接插件也相应减少,消除了断线、短路及接触电阻引发的故障,可见系统能发生故障的机会是很少的,但也不是绝对的。
  由于CAN 总线系统采用数字传输信号,不能用对待一般汽车电器传统的检修方法,只用万用表测电压和电阻进行判断。而必须用到原厂配备的故障诊断仪和配套的附属器件,如汽车专用示波仪,原车电路图和故障代码等,通过读取故障码进行分析,才能判断故障所在。常见的CAN总线系统故障有电源系统故障、节点故障、链路故障等三个基本类型。
  一类是电源系统故障:电源系统引起CAN总线系统表现为车辆在行驶过程中,时常出现转速表、车速表、燃油表和水温表指示为0,均不工作,有时还伴有某些电控系统无规则的故障代码。出现这种情况有可能是电源供给不正常引起,汽车多路信息传输系统的电控模块ECM要求的正常工作电压是直流10.5- 15.0V的范围内,如果送到ECM的电压低于该值,一般都是接插件接触不良,电源线接头锈蚀氧化造成电阻过大引起。二类是节点故障:节点故障的现象是使本来正常的系统却出现多路故障指示灯报警,并伴随发动机转速表不能运行。按照一般故障的规律,不可能几个电控系统同时出故障。照此现象,应考虑是CAN总线节点故障。节点是汽车多路信息传输系统中的电控模块,节点故障就是电控模块ECM的故障。它包括软件故障中的传输协议和软件程序有缺陷或冲突,从而使汽车多路信息传输系统通信出现混乱或无法工作,这种故障一般成批出现,无法维修。硬件故障一般由于通信芯片或集成电路故障, 造成汽车多路信息传输系统无法正常工作,对于此类故障只能采用换件法处理, 不过值得注意的是此类故障的机率是非常小的,先排除其它问题,才考虑换件。三类是链路故障:当汽车多路信息传输系统的链路(或通讯线路)出现故障时,如:通讯线路的短路、断路以及线路物理性质引起的通讯信号衰减或失真,都会引起多个电控单元无法工作或电控系统错误动作。CAN总线故障形式主要有高线和低线短路、高线对正极短路、高线对地短路、高线断路、低线对正极短路、低线对地短路和低线断路共7 种故障。   4 汽车CAN 总线的检修方法
  现在车辆绝大部分都装有CAN系统,而且检查仪器也配有CAN的专用接头,其结构同OBD结构相同,所以多路信息传输系统的车辆出现故障,维修人员应直接使用CAN检测接头,检测汽车多路信息传输系统是否正常。因为如果多路信息传输系统有故障,则整个汽车多路信息传输系统中的有些信息将无法传输,接收这些信息的电控模块将无法正常工作,从而为故障诊断带来困难。对于汽车多路信息传输系统故障的维修,应根据多路信息传输系统的具体结构和控制回路具体分析。
  波形测量:运用KT600上的示波器可以同时测量CAN高、低线的波形,该示波器有4个通道,这样在同一界面下同时显示高线和低线的同步波形,能很直观地分析系统出现哪些问题。测量时测量线的正极分别接高、低线,二者的黑色测量端子同时接地。在实际检测中根据示波器的波形可以迅速判定总线系统的故障部位。
  终端电阻的测量:由于带有终端电阻的2个控制单元是相连的,所以2个终端电阻是并联的。当测量的结果为每一个终端电阻大约为120Ω,而总值为60Ω时,可以判断连接电阻是正常的。如果总的阻值被测量后,将一个带有终端电阻的控制单元插头拔下, 显示阻值发生变化,这是测量的一个控制单元的终端电阻阻值。当在一个带有终端电阻的控制单元插头拔下后测量的阻值没有发生变化,则说明系统中存在问题,可能是被拔下的控制单元终端电阻损坏或是CAN-BUS出现断路。如果在拔下控制单元后显示的阻值变化无穷大, 则可能是连接中的控制单元终端电阻损坏, 或是该控制单元的CAN-BUS出现故障。测量时应注意在拆下电瓶的电压线时,等待约5min,直到所有的电容器充分放电后再开始进行。
  读取测量数据块中的CAN通讯状态:通过专用检测仪KT600讀取控制单元数据块,KT600会出现闪动的情况,一个数据块一个数据块的会慢慢跳出来,如果有的数据块没有跳出来,即在屏幕上没有显示,则这个数据块可能已经丢失,根据车型的CAN系统拓扑结构图(可以观察控制单元与之间的连接关系)就可以找到明确的故障部位,不过在读取过程中要关闭所有的车门而且不能晃动车辆,以免影响数据读取的准确性。
  导线的维修:在CAN总线的维修过程中,也会经常遇到线束破损和断裂的现象,遇到这些情况时在实际维修过程当中都是采用接线和换线的方式来进行维修,但由于其本身具有的特殊性,故应该注意以下注意事项:1.接线时,确保两端的120欧姆的终端电阻正常。2.CAN线是双绞线,在维修的时候要按照该车型的标准进行双绞,一般来说,每米至少在30绞以上,这是干扰的基本要求。3.断线建议使用低阻标准件来接线。4.如果需要在中央接点处维修,则严禁打开接点,只允许在距接点100mm以外断开导线;另外,每条CAN线长度不应超过5m,否则会导致数据失真。
  5 CAN 总线故障维修实例一例
  故障现象:一辆08年生产的一汽丰田卡罗拉轿车,搭载1ZR—FE发动机,行驶里程150公里(学生实习用车),在使用过程中发现在汽车起动后,仪表盘上的P/S灯、ABS灯、气囊灯点亮,而且常亮,而且发动机转速表指示为0转速,踩油门,转速表无变化。但是不影响其使用性能。
  故障诊断与排除:在接到车时,使用者初步判断是CAN系统故障,以对部分部件进行拆除,见下图,但由于使用的KT600诊断仪不能够明确的指出故障部位,而且没有故障码显示,所以一直没有找到故障部位在什么地方,笔者也使用金德KT600进行故障诊断,发现进入CAN系统后,只有两个系统跳出来,而且也读不到故障码,但是可以肯定的是CAN系统确实存在故障,故障导致部分系统无法进行通信。按照丰田维修手册进行故障查找,先看CAN通信系统实物位置图及连接至 CAN 接线连接器的零部件连接图如下:
  经检查发现其电阻值为3.2欧姆小于54欧姆,检查CAN总线是否短路,先检查检查 CAN 总线是否短路(DLC3 支线)将点火开关置于 OFF 位置,断开 CAN 1 号接线连接器,检查DLC3中E11-6 (CANH) - E11-14(CANL)的电阻,发现电阻值大于1兆欧,说明连接至 DLC3 的 CAN 支线正常,检查 CAN 总线是否短路(CAN 2 号接线连接器)重新连接 CAN 1 号接线连接器,断开 CAN 2 号接线连接器,检查E11-6 (CANH) - E11-14(CANL)的电阻为125.5(标准为108 至 132 欧姆)说明电阻正常,检查A47-10 (CANH) - A47-21 (CANL)电阻为3.5欧姆,标准为108 至 132欧姆,根据CAN2连接器可知A47-10 (CANH) - A47-21 (CANL)是指CEM端的高低线,也就是说下一步要检查ECM 主线,断开ECM连接器检查A47-10 (CANH) - A47-21 (CANL)的电阻为3.5欧姆,标准为1兆欧或更大根据手册要维修或更换 CAN 主线或连接器(ECM 主线),经检查发现ECM端的CAN总线的高低线在插头端短路,将其修复,故障排除。
  分析其短路的原因,按理说两根线根本不可能断路,仔细检查两条线在插头上的插孔,发现插孔偏大,而且插孔内的卡位已经损坏,笔者试验了几次,但都不能够造成故障,再次询问维修人员,他们说他们测量过CAN系统的波形,并且采用的是背部插针的方式进行,笔者恍然大悟,然后也用两根大头针分别插在高低线侧,果真造成了高低线断路,但是插头端插孔损坏是如何造成的呢,笔者用力抽动了高低线,发现两根线都可以在背部抽出,也就是说,维修人员在维修的 过程中应该有将线从插头内抽出的行为,而且不只一次,所以造成了插孔粗大,综合上述两点就构成了此次的故障,也就是说纯属人为故障。
  6 结论
  由于CAN 网络在性能、传输速率和可靠性等方面所体现出的强大优势,已经受到大多数汽车厂商的重视,而且在其它工业和电子领域上的应用也是倍受关注,已被公认为是最有前途的现场总线之一。作为汽车维修人员必须深入掌握汽车CAN 总线技术的结构组成、工作原理、故障特点及诊断排除方法, 只有这样, 才能适应汽车CAN 总线这一新技术对汽车维修人员的要求, 从而保证快速、准确地排除装配有CAN 总线的汽车故障。
  CAN 2 号接线连接器端子及配线
  参考文献
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