基于汽车CAN总线概述及其故障检测方法探讨＊

李智杰，李超智

（1.茂名技师学院，广东 茂名 525000；2.广州丰达电机厂，广东 广州 510000）

1 引言

随着电子技术的发展，及对人们对汽车安全性、舒适性、经济性要求的提高，汽车上各电控单元间的数据交换也越来越复杂。如果仍采用常规的布线方式，必然会形成庞大的布线系统。为了满足各电子系统实时性的要求，需要对汽车公共数据实现实时共享。传统的电气网络已无法适应汽车电子系统的发展，车载网络技术组成的汽车电子网络，可以大大地简化传统的汽车电路。因此在了解汽车CAN总线结构原理、技术特点的基础上，掌握CAN总线产生故障种类、原因及检测的方法和步骤很有必要。

2 汽车CAN总线概述

CAN（Controller Area Network）是车用控制器局域网的缩写，主要用于各种车载电子控制装置ECU之间的信息交换，从页形成汽车电子控制网络。

2.1 CAN总线系统组成

车载网络系统一般包括动力传动系统、舒适系统和信息娱乐系统。通过网关将不同总线系统彼此连接在一起，并在子系统物理结构不同且软件受限的情况下进行数据交换。

CAN连接一般采用三级结构，即应用程序微控制器、CAN控制器、收发器和CAN数据总线。发送时控制单元内的应用程序微控制器，将有效数据传输给CAN控制器，CAN控制器将其转换为CAN格式，然后传输至直接连接在总线的收发器模块上。接收时，来自总线的信息经收发器读入CAN控制器，然后由应用程序微控制器通过并行数据线接管经过处理的CAN信息。

2.2 CAN 总线的特点

由于采用了许多新技术及独特的设计，CAN总线与一般的通信总线相比，它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，其特点如下。

①CAN是现场总线中迄今为止唯一具有国际标准的现场总线；

②CAN是以多主节点的方式工作，无主节点和从节点之分，总线上任意节点均可以随时向总线上其他节点发送报文；

③CAN上的节点不分主从，但根据不同的实时要求，在报文标识符上，将其分成不同的优先级，优先级高的最先传输数据；

④CAN采用非破坏总线仲裁技术，当许多个节点同一时间均向总线发送信息，优先级低的节点主动退出发送，而优先级最高的节点可不受影响的继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间；

⑤CAN节点只需通过对报文的标识符虑波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据；

⑥CAN通信速率最高可达1Mbps，直接通信距离最远可达10km；

⑦CAN上节点数主要取决于总线上的驱动电路，目前可达110个；

⑧CAN的每帧信息都有CRC校验及其它检错措施，保证数据出错率很低；

⑨CAN节点在错误严重的情况下，具有自动关闭输出的功能，能够使总线上其他节点的操作不受干扰；

⑩CAN总线具有较高的性价化［1］。

2.3 数据总线应用

CAN是一种多主总线，通信介质可以是双绞线，同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1mb/s。通过CAN总线，传感器、控制器、执行器由串行数据线连接起来。CAN在车上主要有三种用途：一是用于车身和舒适系统的低速CAN；二是用于通信、导航、音频和视频的CAN；三是用于发动机、变速器、ABS和ESP之间实时通信的高速CAN。

2.4 数据总线传输原理

CAN总线是一种现场总线，连接在CAN总线上的控制单元通常通过两个数据导线彼此连接。两根导线互相缠绕（双绞线），称为CAN＿H和CAN＿L。双绞线对称性好、抗干扰能力强，能适用于环境比较恶劣的条件。

同时CAN总线采用差分传输技术来改善传输的可靠性，进一步消除干扰电压。CAN总线信息以时序电压脉冲形式在总线导线上串行传输，电平在低位（0）与高位（1）之间切换，CAN控制器根据两根线上的电位差来判断总线电平，总线电平分为显性电平（0）和隐性电平（1），二者必居其一。发送方通过时总线电平发生变化，将消息发送给接收方。

2.5 数据传输过程

控制单元向CAN控制器提供数据用于传输，CAN收发器从控制器处接收数据，将其转化为电信号发出，所有与CAN数据总线一起构成网络的控制单元接收所发出的数据，控制单元对接收到的数据进行检测，看是否是其功能所需。如果接收到的数据是重要的，它将被认可并进行处理，否则将被忽略掉［1］。

3 汽车CAN总线故障

3.1 故障现象特征

CAN－BUS网络系统发生故障时一般都有一些明显的故障特征。故障现象有下列3种：一是整个网络失效或多个控制单元不工作或工作不正常。二是在不同的系统，不同的地方同时表现出不同的多个故障，且故障现象之间没有任何关联。三是个别控制单元或多个控制单元，在接上专用诊断仪后，无法与诊断仪通信。

3.2 故障类型

一般说来，汽车多路信息传输系统的故障主要有三种：一是汽车电源系统引起的故障；二是汽车多路信息传输系统的链路故障；三是汽车多路信息传输系统的节点故障。

3.2.1 汽车电源系统故障

（1）故障机理。

汽车多路信息传输系统的核心部分是含有通讯IC芯片的电控模块ECM，电控模块ECM的正常工作电压在10.5V－15.0 V的范围内。如果汽车电源系统提供的工作电压低于该值，就会造成一些对工作电压要求高的电控模块ECM出现短暂的停止工作，从而使整个汽车多路信息传输系统出现短暂的无法通讯［2］。

（2）故障实例。

故障现象：一辆上海A品牌轿车，在车辆行驶过程中，时常出现转速表、里程表、燃油表和水温表指示为零的现象。用TECH2扫描工具（微机故障诊断仪）读取故障代码，发现各个电控模块均没有当前故障代码，而在历史故障代码中出现多个故障代码：SDM（安全气囊控制模块）中出现U1040－失去与ABS控制模块的对话，U1000－二级功能失效，U1064－失去多重对话，U1016－失去与PCM的对话；IPC（仪表控制模块）中出现U1016－失去与PCM的对话，BCM（车身控制模块）中出现U1000 －二级功能失效［3］。

故障分析与排除：经过故障代码的读取可以知道，该车的多路信息传输系统存在故障，因为OBD－Ⅱ规定U字头的故障代码为汽车多路信息传输系统的故障代码。通过查阅上海A品牌轿车的电源系统的电路图可以知道，上面的电控模块共用一根电源线，并且通过前围板。由于故障代码为间歇性的，断定可能是这根电源线发生间歇性断路故障。经检查发现，此根电源线由于磨损导致接触不良，经过处理后故障排除［3］。

3.2.2 多路信息传输节点故障

（1）故障机理

节点是汽车多路信息传输系统中的电控模块，因此节点故障就是电控模块ECM的故障。它包括软件故障即传输协议或软件程序有缺陷或冲突，从而使汽车多路信息传输系统通讯出现混乱或无法工作，这种故障一般成批出现，且无法维修。硬件故障一般由于通讯芯片或集成电路的故障，造成汽车多路信息传输系统无法正常工作。对于采用低版本信息传输协议回点到点信息传输协议的汽车多路信息传输系统，如果有节点故障，将出现整个汽车多路信息传输系统无法工作［2］。如图1所示为汽车多路信息传输系统中电控模块结构组成图。

（2）故障实例

故障现象：一辆上海B品牌轿车在使用中出现机油压力报警灯与安全气囊故障指示灯报警，同时发动机转速表不能正常运行。用V.A.G.1552故障阅读仪读取发动机控制系统的故障代码，发现有两个偶发性故障代码：18044/P165035－安全气囊控制单元无信号输出；18048/P165035－仪表数据输出错误。用V.A.G.1552故障阅读仪读取仪表系统的故障代码为：01314049－发动机控制单元无通讯；01321049－到安全气囊控制单元无通讯。

故障分析与排除：通过读取故障代码可以初步判断故障在于汽车多路信息传输系统。通过对汽车电气线路进行分析，电源系统引起故障的概率很小，故障很可能是节点或链路故障。用替换法尝试安全气囊控制单元，故障得以排除［4］。

3.2.3 车载网络系统的链路故障

（1）故障机理

当车载网络系统的链路（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。判断是否为链路故障时，一般采用示波器或汽车专用光纤诊断仪来观察通讯数据信号是否与标准通讯数据信号相符［2］。链路故障又分为：CAN＿L断路、CAN＿L对正极短路、CAN＿L 对负极短路、CAN＿H断路、CAN＿H 对正极短路、CAN＿H对负极短路、CAN＿H和彼此连接、电阻缺失、CAN＿H 和 CAN＿L 短路、CAN＿H 和 CAN＿L彼此交叉、CAN＿H和CAN＿L彼此连接且对负极短路以及CAN＿H和CAN＿L彼此连接且对正极短路。如图2所示为车载网络系统通迅连接线路图。

图2 车载网络系统通迅连接线路图

（2）故障实例

故障现象：一辆C品牌轿车的电控自动空调系统在开关接通的情况下，鼓风机能工作，但是空调系统却不制冷。

故障分析与排除：通过观察，发现空调压缩机电磁离合器不吸合，但发动机工作正常。检查电磁离合器线路的电阻值，电阻值符合规定值，检查空调控制单元的输出端没有输出信号。此时用V.A.G.1552故障阅读仪读取发动机控制系统和空调控制系统的故障代码，均无故障代码。用V.A.G.1552故障阅读仪读取空调控制单元的数据流，发动机的转速数据为零。由于发动机工作正常，因此发动机控制单元接收的发动机转速信号应该正常，检查发动机控制单元和空调控制单元之间的通讯线路，发现两者之间的专速通讯线的接脚变形造成链路断路，修复接插件后故障排除［5］。

4 CAN系统故障检测步骤

CAN系统故障检测诊断步骤如下：①了解该车载网线系统的传输特点，包括传输介质、几种子网及网络及网络系统的具体结构形式等；②了解该车车载网线系统的基本结构；③了解该车车载网线系统的功能；④检查车辆电源系统是否存在故障，如交流发电机的输出波形是否正常等；⑤检查系统链路是否存在故障，可用替代法或跨线法；⑥检查系统节点是否有故障，可用替代法；⑦利用CAN系统故障自诊断功能［1］。

5 CAN总线故障检测设备与检修方法

5.1 故障检测设备

5.1.1 使用万能表检测 CAN 总线。

检测电压：在怠速时，连接两根CAN线路的数字电压表将会测量0V－这是“1”，CAN＿Hi和CAN1.0的不同，这是怠速状态。总线上有CAN报文，电压表就会提示可能0.5V或者总线传输的特性确定。这是不同于总线的平均值，以防止响应的电压过高。这就会让电压读数在维护CAN方面几乎不起作用。检测电阻：测量CAN总线的电阻值，车钥匙必须打到off档。万用表的欧姆档在检测CAN线路对地短接、电池短接方面起作用。典型的电阻在汽车的OEMs中有打印出来，并且取决于汽车ECM的数量和类型。

5.1.2 使用示波器检测 CAN 总线

许多总线上的网络信号传输（包括CAN）是不重复的，因此很难用示波器去触发观察。数字示波器用于观察波形。普通示波器依赖于反复出现的图片，而这需要稳定的、重复信号才能有清晰、无抖动的显示。如图3所示为从模拟示波器得到CAN输出波形的模拟图像，图4为采用同样数码采样坐标并存储的数字图像，比较图3、图4，差别清晰可见。

图3 模拟示波器的CAN输出波形

图4 数字示波器的CAN输出波形

5.1.3 使用CAN分析仪检测CAN总线

标准的CAN分析仪器可以读取CAN传输数据，把用户指定的信息发送到总线上，并提供统计的信息，比如总线加载和总线的错误信息。合格的CAN分析器会显示带有标识符的CAN报文以及任何数据值。许多分析仪会针对一些特定的CAN报文显示其缩写，同时也显示标识符、数据值、时间，以及一些有效标识符的缩写［6］。

5.2 检修方法

CAN总线系统的独特性决定其故障检修没有普遍适用的测量或检测方法，必须具体情况具体分析。常用的检测方法有以下几种。

5.2.1 故障代码检修分析

根据CAN总线在行业应用中的要点和故障类型分析，首先分析故障代码。与普通的汽车电控系统传感器、执行器故障码有所不同，如：驱动总线缺乏来自ABS的信息（ABS控制单元未做匹配造成的）；集团数据总线通讯错误（网关控制器不能通讯造成的）。

5.2.2 数据流分析

与一般电控系统数据分析一样，只是网络系统故障也会造成相关数据发生变化。

5.2.3 波形分析

这是判断CAN数据导线故障的主要手段，是通过示波器以波形图的形式，检查CAN＿H与CAN＿L的工作情况。通过示波器显示CAN数据导线的波形情况，从而导出CAN数据导线的故障情况。下面简单列举出通过示波器检测到CAN各种工作情况的波形图，以供参考。图5所示为驱动CAN正常波形，图6所示为驱动CAN＿H与CAN＿L短路波形，图7所示为驱动CAN＿H断路波形，图8所示为驱动CAN＿L断路波形。

图5 驱动CAN正常波形

图6 驱动CAN＿H与CAN＿L短路波形

图7 驱动CAN＿H断路波形

图8 驱动CAN＿L断路波形

5.2.4 控制器匹配、自适应调整

控制器匹配，自适应调整是汽车维修服务过程中常见的服务项目。在没有采用CAN控制的汽车上，电脑（电控单元）坏了，买一块新的换上就可以了。而现在许多车型更换电脑后不能马上工作，还要对电脑进行编码、还要对控制器或执行器做自适应匹配等操作才能正常工作［7］。

6 结束语

CAN总线技术作为一种可靠的汽车计算机网络总线，必将在汽车自动控制技术中得到越来越广泛的应用。作为一名汽车维修人员，只有深入理解CAN总线的工作原理、技术特点、故障特点及检修检测方法才能快速、准确地排除采用CAN总线技术的汽车故障。

［1］廖发良.汽车电控系统的结构与检修［M］.北京：电子工业出版社，2009，448－459.

［2］刘 威，谭小锋.汽车CAN系统故障原理及波形分析［J］.北京劳动保障职业学院学报，2013，7（2）：50－54.

［3］胡占军，李玉青，等.车载网络信息传输系统故障诊断与排除［J］.汽车技术，2009，8：57－60.

［4］熊先锋.汽车网络技术CAN的应用与检修［J］.机械与电子，2013，23.

［5］包 珍.汽车CAN总线控制系统的故障检修应用［J］.黑龙江科技信息，2010，9.

［6］黎永健，赵祚喜.汽车CAN总线及其故障诊断检测方法［J］.应用科学，2010，2.

［7］杨秀枚，秦启武.汽车CAN总线及其故障检修［J］.内江科技，2013，4：121－151.