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汽车的数据总线与网络通信探密
2019-12-3  来源:--  作者:朱彦
 
       为了克服传统通信方式的缺点,使汽车更加自动化、智能化,提高汽车的整体性能,有必要在汽车中引入计算机网络技术来实现彼此之间的通信。
  
       1.数据总线与CAN通信协议概述
  
       20世纪90年代以来,汽车上由电子控制单元指挥的部件数量越来越多,例如电子燃油喷射装置、防抱死制动装置(ABS)、安全气囊装置、电控门窗装置、主动悬架等等。随着集成电路和单片机在汽车上的广泛应用,车上的ECU数量越来越多。因此,一种新的概念——车上控制器局域网络CAN的概念也就应运而生了。为使不同厂家生产的零部件能在同一辆汽车中协调工作,必须制定标准。按照ISO有关标准,CAN的拓朴结构为总线式,因此也称为CAN总线。
  
  
       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线共同接在两个节点上,这两条导线就称作数据总线。数据总线亦称BUS线。
  
       我们知道,汽车两块电脑之间的信息传递,有几个信号就要有几条信号传输线(信号传输线的接地端可以采用公共回路),例如,宝来轿车发动机电控单元J220与自动变速器电控单元J217之间就需要有5条信号传输线。如果传递信号项目多还需要更多的信号传输线,这样会导致电控单元针脚数增加、线路复杂、故障率增多及维修困难。
  
       电子计算机网络用电子语言来说话,各电控单元必须使用和解读相同的电子语言,这种语言称“协议”,汽车电脑网络常见的传输协议有数种。宝来车装用博世公司产品,数据总线采用CAN协议,这个协议是由福特、Internet与博世公司共同开发的高速汽车通信协议。CAN是ControllerAreaNetwork(控制单元区域网络)的缩写,意思是控制单元通过网络交换数据。
  
       CAN数据传输系统的优点。数据总线与其他部件组合在一起就成为数据传输系统,CAN数据传输系统的优点是:将传感器信号线减至最少,使更多的传感器信号进行高速数据传递。电控单元和电控单元插脚最小化应用,节省电控单元的有限空间。如果系统需要增加新的功能,仅需软件升级即可。各电控单元的监测对所连接的CAN总线进行实时监测,如出现故障该电控单元会存储故障码。CAN数据总线符合国际标准,以便于一辆车上不同厂家的电控单元间进行数据交换。
  
       在现代轿车的设计中,CAN已经成为必须采用的装置,奔驰、宝马、大众、沃尔沃及雷诺汽车都将CAN作为控制器联网的手段。由于我国中高级轿车主要以欧洲车型为主,因此欧洲车应用最广泛的CAN技术,也将是国产轿车引进的技术项目。目前汽车上的网络连接方式主要采用2条CAN,一条用于驱动系统的高速CAN,速率达到500kb/s,另一条用于车身系统的低速CAN,速率是100kb/s。驱动系统CAN主要连接对象是发动机控制器(ECU)、ASR及ABS控制器、安全气囊控制器、组合仪表等等,它们的基本特征相同,都是控制与汽车行驶直接相关的系统。车身系统CAN主要连接对象是四门以上的集控锁、电动车窗、后视镜和厢内照明灯等。在信息社会中,有些先进的轿车除了上述两条总线,还会有第三条CAN总线,它主要负责卫星导航及智能通讯系统。目前,驱动系统CAN和车身系统CAN这两条独立的总线之间没有关系。工程师将逐步克服技术障碍,设置“网关”,在各个CAN之间搭桥实现资源共享,将各个数据总线的信息反馈到仪表板总成上的显示屏上。驾车者只要看看仪表板,就可以知道各个电控装置是否正常工作了。数据总线技术的引入也将是汽车电子技术发展的一个里程碑。
  
       2.CAN数据传输系统构成及工作原理
  
       CAN数据传输系统构成:CAN数据传输系统中每块电脑的内部增加了一个CAN控制器,一个CAN收发器;每块电脑外部连接了两条CAN数据总线。在系统中作为终端的两块电脑,其内部还装有一个数据传递终端(有时数据传递终端安装在电脑外部)。
  
  
       各部件功能:CAN控制器作用是接收控制单元中微处理器发出的数据,处理数据并传给CAN收发器。同时CAN控制器也接收收发器收到的数据,处理数据并传给微处理器。CAN收发器是一个发送器和接收器的组合,它将CAN控制器提供的数据转化成电信号并通过数据总线发送出去,同时,它也接收总线数据,并将数据传到CAN控制器。数据传递终端实际是一个电阻器,作用是避免数据传输终了反射回来,产生反射波而使数据遭到破坏。
  
       CAN数据总线: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总线采用两条线缠绕在一起,两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,两条线的电压和总等于常值。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。
  
       数据传递过程:例如发动机电脑向某电脑CAN收发器发送数据,该电脑CAN收发器接收到由发动机电脑传来的数据,转换信号并发给本电脑的控制器。CAN数据传输系统的其他电脑收发器均接收到此数据,但是要检查判断此数据是否是所需要的数据,如果不是将忽略掉。
  
       3.动力CAN数据传输系统
  
       动力CAN数据总线连接3块电脑,它们是发动机、ABS/EDL及自动变速器电脑(动力CAN数据总线实际可以连接安全气囊、四轮驱动与组合仪表等电脑)。总线可以同时传递10组数据,发动机电脑5组、ABS/EDL电脑3组和自动变速器电脑2组。数据总线以500kbit/s速率传递数据,每一数据组传递大约需要0.25ms,每一电控单元7~20ms发送一次数据。优先权顺序为ABS/EDL电控单元→发动机电控单元→自动变速器电控单元。
  
       在动力传动系统中,数据传递应尽可能快速,以便及时利用数据,所以需要一个高性能的发送器,高速发送器会加快点火系统间的数据传递,这样使接收到的数据立即应用到下一个点火脉冲中去。CAN数据总线连接点通常置于控制单元外部的线束中,在特殊情况下,连接点也可能设在发动机电控单元内部。
  
       4.汽车多路信息传输系统故障
  
       随着汽车电控系统的增加,CAN数据总线的使用与维修将成为汽车发展的必然趋势。
  
  
       装有CAN-BUS多路信息传输系统的车辆出现故障,维修人员应首先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。一般说来,引起汽车多路信息传输系统故障的原因有三种: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。
  
       汽车电源系统故障引起的汽车多路信息传输系统故障。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10.5~15.0V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。这种现象就如同用微机故障诊断仪在未起动发动机时就已经设定好要检测的传感器界面,当发动机起动时,往往微机故障诊断仪又回到初始界面。
  
       节点故障: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。
  
       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。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。
  
       通过对以上三种汽车多路信息传输系统故障的分析,可以总结出该系统一般诊断步骤为:了解该车型的汽车多路传输系统特点(包括:传输介质、几种子网及汽车多路信息传输系统的结构形式等);汽车多路信息传输系统的功能,如:有无唤醒功能和休眠功能等。检查汽车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(若不正常将导致信号干扰等故障)等。检查汽车多路信息传输系统的链路是否存在故障,采用替换法或采用跨线法进行检测。如果是节点故障,只能采用替换法进行检测。
  
       5.用总线检测仪诊断汽车CAN系统故障
  
       对汽车的局域网进行诊断检测,一直是让很多中小维修企业感到棘手的问题。究其原因除了技术实力方面的原因,更为重要的是没有配备相关检测设备。由于检测汽车CAN系统的故障诊断仪一般都是高端发动机综合分析仪或原厂专用故障诊断仪,昂贵的价格制约了这些检测设备进入中小维修企业。近年来国内市场上出现的汽车CAN总线检测仪,轻松地化解了这一难题。它采用类似普通万用表的主机,配上相应诊断专用线,与相应数据接口连接之后,即可快速方便地检测局域网故障。这种仪器价格低廉,受到中小企业维修人员的普遍欢迎。
  
       汽车CAN总线测试仪,用于快速完整地检测和测试装配有VAN、CAN(H)和CAN(L)汽车网络系统的特性,它主要用于如下检测项目。检测总线是否存在物理问题,比如线束、插接头的连接状况。这种情况下的检测为静态测试,需要关闭电源。检测网络通讯的准确性,确认实测参数是否与标准参数相符,这种情况为动态测试,需要打开点火开关进行测试。检测网络的指示是否正常,通过观察仪器上LED灯的显示显示情况,分析故障原因。由于测试结果能够非常直观地显示出来。虽然该仪器不能像专用故障诊断仪那样以文字显示检测内容,但是维修人员根据LED灯的闪烁情况,结合说明书中64个代码的含义,也可以非常方便地获取诊断帮助。搭铁(-)与电源(+),VAN或当前电压状态。
  
  
       用总线检测仪诊断汽车CAN系统故障(见图):使用过程中,将测试仪与车辆蓄电池连接,使用者通过按钮选择自己想要控制的网路类别,如CAN(H)、CAN(L)或VAN,然后将车辆CAN(H)/DATA或CAN(L)/DATA连接到插孔B或C,再读取仪器上的网路数据。将测试笔插入测试仪的插孔A,并将测试笔的测试针与接头、电线接触来进行测试。
  
       6.汽车多路信息传输系统故障实例
  
       一辆捷豹轿车仪表板上的ABS、悬架及驱动防滑系统的故障警告灯同时报警。根据故障现象分析,认为这个故障应该是这些线路的公共部分出了问题,于是决定利用汽车CAN总线测试仪进行检查。先对ABS至PCM之间的数据线进行静态测试,结果线路正常;接着又测量了PCM至悬架控制单元间的数据线,也无问题。拆卸左前门内的饰板,在车门的下部找到了DDM模块,并找到了4根数据线,还未测量时突然发现DDM插头松动。遂用力插紧此插头,打开点火开关,此时车辆通过自检,仪表板显示屏上警告灯全部熄灭,路试发现故障排除。
  
       一辆上海别克轿车,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。用车博仕汽车诊断分析仪读取故障代码,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。其中: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。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。通过查阅上海别可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,一次断定可能是这根电源线发生间歇性断路故障。经检查发现,此根电源先由于磨损导致接触不良,经过处理后故障排除。
  
       一辆上海帕萨特B5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运行故障。用车博仕故障诊断分析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。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。
  
       一辆奥迪100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。通过观察,发现空调压缩机的电磁离合器不吸合,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。此时用车博仕故障诊断分析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。用车博仕故障诊断分析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。
  
       一辆广州本田因事故大修后,出现主门控制开关只能控制主门的主锁和主门的升降窗,而对其余三门的门锁及升降窗均不能控制,而副门控制开关均可控制其余的,用遥控器操作时无效。
  
       广州本田是我国近年出品的新车型,在车身电气控制上具有先进独特的特点。它采用了集中多路控制系统,共分三个组成部分:主门开关多路控制器:主门侧多路控制电脑:副门侧多路控制电脑及控制开关。三者之间由数据传输线相通。针对以上的故障现象,通过学习和相关电路的分析,初步判定是主门开关多路控制器出了问题.或是主门多路控制器与主门侧多路控制电脑之间的信号数据传输线断路,造成主门开关对其余三门的控制失效。此车型设有车身自诊断功能,维修人员首先从调码人手。
  

CAN总线布置图 
  
       在主门侧仪表板内找到主门侧多路控制电脑,找到诊断插头(2线),人为将插头短接。打开点火开关”ON”档,此时钥匙灯亮起,蜂鸣器也响起,说明确有故障存贮。通过灯的闪烁情况,读出1号码,含意为主门侧多路控制电脑未收到主门主开关内的多路控制器发来的信号。给维修人员一个启示,信号传输线出了问题。于是维修人员将主门总开关插头拔下.同时也拔下主门侧多路控制电脑插头,测量此传输线的导通性(主开关A1 5脚与主门侧多路控制电脑A2脚.棕色线)。经测量,此线良好,同时也测量了两插脚对地电阻.没有对地短路。装好插头,打开点火开关,再测此线的电压,结果为O.2V,感觉不正常。随后再测主门侧多路电脑与副门侧多路控制电脑的信号传输线(粉色)的电压,结果为8V左右。查阅资料发现,正常值应为3.5-9.5V之间,从而证明主门主开关内部的多路控制器没有送出工作电压,检查中没发现棕色线对地短路,那么一定是主开关内多路控制器有故障。如果有现成的配件,问题会很快找到,为了更准确判别故障范围,用发光二极管试灯笔做了一个试验。将试灯笔的一端接在火端,将试灯笔接入传输线上(棕色),此试验的目的是想人为给传输线送一个10V的电压(发光二极管导通压降为2V左右)。打开点火开关,试灯笔亮起,说明电压信号已加载到传输线上,此时按动主门锁按钮开关.结果一切正常。不但主锁开关可控制其余三门锁的开与关,同时,按动主门总开关的其他三门玻璃升降开关时,控制也一切正常。通过分析,判断,检测及试验,完全肯定,主门主开关内部多路控制器故障。随后在主开关总插头的1号脚(火线)接入一个500Ω电阻到插头的15号脚(传输线引脚),试验失败。再逐渐减小电阻阻值,直到200Q时各门锁可以正常工作了。
  
       为了达到灵敏可靠,用一个150Ω电阻代之,效果很好。用主门按钮开关可以很灵敏的控制所有的门锁,开锁闭锁控制一切正常。在此要说明的一点是,在主开关插头的A1脚和A1 5脚接入一个电阻的目的就是人为在A15线上加载工作电压。经加一电阻降压后,可使此线工作电压达到要求,当调节到150Ω时,开关控制门锁得到迅速反应。处理完此故障后,又发现一个新问题。当用主门钥匙操作时,却只能锁而不能开。经检测和试验判定,主门钥匙芯开关完好,问题在多路控制器的A16脚内部断路。将A16线与A17线并接,用钥匙芯开关向主锁按钮开关输送信号,一样可以完成钥匙操作,经试验改动后,效果良好。
  
       7.结束语
 
       总之,CAN作为一种可靠的汽车总线已经广泛的应用在了高档汽车上,LIN作为CAN的补充,也已成为国际标准。而比CAN还要先进的Flexray更是发展迅速。汽车总线的发展已经势不可挡。随着汽车电子技术的发展,汽车安全性能的要求就更高。总线以其高速率、高可靠性受到汽车界的高度重视,在线控领域中将得到广泛的应用。
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