汽車CAN總線系統(tǒng)故障診斷技術(shù)淺析

CAN ( Controller Area Network) 總線作為一種可靠的汽車計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)總線已經(jīng)在許多汽車上得到應(yīng)用，汽車計(jì)算機(jī)控制單元之間能夠通過(guò)CAN總線共享所有信息和資源，達(dá)到簡(jiǎn)化布線、減少傳感器數(shù)量、避免控制功能重復(fù)、提高系統(tǒng)可靠性、降低成本、更好地匹配和協(xié)調(diào)各個(gè)控制系統(tǒng)的目的．
隨著這個(gè)能將整個(gè)汽車控制系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和相互之間協(xié)同工作的汽車CAN 總線系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，CAN 總線系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車維修技術(shù)人員必備的知識(shí)，作為現(xiàn)代汽車維修技術(shù)人員，必須掌握總線的結(jié)構(gòu)與控制原理，與此同時(shí)還必須理解總線網(wǎng)絡(luò)知識(shí)，才能排除汽車上的各種疑難雜癥．隨著汽車市場(chǎng)的迅猛發(fā)展，高效地培養(yǎng)成合格的汽修人才已成了政府職能部門和汽修院校十分關(guān)心并積極探索的一個(gè)重要課題．高職院校根據(jù)企業(yè)用人的需求，構(gòu)建符合企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際要求的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)所，提高學(xué)生實(shí)踐能力．使學(xué)生在進(jìn)入社會(huì)后發(fā)揮出自己的職業(yè)技能優(yōu)勢(shì)．
汽車CAN 總線故障診斷包含了“診”和“斷”兩個(gè)環(huán)節(jié)，汽車CAN 總線故障診斷過(guò)程就是由維修技術(shù)人員從汽車的故障現(xiàn)象出發(fā)，熟練應(yīng)用各種檢測(cè)設(shè)備對(duì)汽車進(jìn)行全面綜合的檢測(cè)，完成“診”的環(huán)節(jié)，再對(duì)故障部位和原因作出確切的判斷，完成“斷”的環(huán)節(jié)．
1 汽車CAN 總線系統(tǒng)常見(jiàn)故障現(xiàn)象
汽車CAN 總線系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，有三種故障現(xiàn)象:整個(gè)網(wǎng)絡(luò)失效或多個(gè)控制單元不工作或工作不正常．在不同的系統(tǒng)、不同的地方同時(shí)表現(xiàn)出不同的多個(gè)故障，且故障現(xiàn)象之間沒(méi)有任何關(guān)聯(lián)．個(gè)別控制單元或多個(gè)控制單元在接上專用診斷儀后無(wú)法與診斷儀通信．
當(dāng)汽車總線出現(xiàn)故障或數(shù)據(jù)傳輸異常時(shí)，會(huì)出現(xiàn)多種奇怪的故障現(xiàn)象，如車輛無(wú)法起動(dòng)，起動(dòng)后無(wú)法熄火，儀表板顯示異常，某些電控系統(tǒng)功能失效，蓄電池漏電等．最為常見(jiàn)的的故障癥狀是的儀表板顯示異常．
2 汽車CAN 總線系統(tǒng)的故障分類
2．1 汽車電源系統(tǒng)引起的故障
汽車多路信息傳輸系統(tǒng)的核心部分是含有通信IC 芯片的電控ECU，電控ECU 工作電壓在10．5～15．0 V 的范圍內(nèi)．如果汽車電源系統(tǒng)提供的工作電壓低于該值，則一些對(duì)工作電壓敏感的電控ECU 出現(xiàn)短暫的停止工作，從而使整個(gè)汽車多路系統(tǒng)出現(xiàn)短暫的無(wú)法通訊．
2．2 鏈路故障
當(dāng)車載CAN 總線系統(tǒng)的鏈路出現(xiàn)故障，如通信線路的短路、斷路以及線路物理性質(zhì)變化引起的通信信號(hào)衰減或失真時(shí)，都會(huì)引起多個(gè)電控單元無(wú)法工作或電控系統(tǒng)錯(cuò)誤動(dòng)作而使控制器區(qū)域網(wǎng)無(wú)法正常工作．
2．3 節(jié)點(diǎn)故障
節(jié)點(diǎn)是車載CAN 總線系統(tǒng)的電控模塊，節(jié)點(diǎn)故障就是電控模塊ECM 的故障．它包括軟件故障即傳輸協(xié)議或軟件程序有缺陷或沖突，從而使汽車控制器區(qū)域網(wǎng)通信出現(xiàn)混亂或無(wú)法工作，這種故障一般成批出現(xiàn)，且無(wú)法維修．硬件故障一般由于芯片或集成電路故障，造成汽車控制器區(qū)域網(wǎng)無(wú)法正常工作．對(duì)于采用低版本信息的傳輸協(xié)議，即點(diǎn)到點(diǎn)信息傳輸協(xié)議的汽車控制器區(qū)域網(wǎng)，如果有節(jié)點(diǎn)故障，將出現(xiàn)整個(gè)汽車控制器區(qū)域網(wǎng)信息傳輸無(wú)法工作．
3 汽車CAN 總線系統(tǒng)常見(jiàn)故障檢修方法
與汽車檢測(cè)相比，汽車故障診斷中的第一環(huán)節(jié)“診”應(yīng)該比汽車檢測(cè)的內(nèi)容更深入一些，它不是一個(gè)單純的“檢測(cè)”過(guò)程，而是一個(gè)綜合的“測(cè)試”過(guò)程． 測(cè)試包括參數(shù)檢測(cè)和性能試驗(yàn)兩個(gè)部分．
CAN 總線系統(tǒng)的獨(dú)特性決定其故障檢修沒(méi)有普遍適用的測(cè)量或檢測(cè)方法，必須具體情況具體分析．在檢修過(guò)程中，根據(jù)故障癥狀和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖來(lái)初步分析有可能是哪些原因造成的，然后使用相關(guān)的診斷儀進(jìn)行診斷，根據(jù)診斷結(jié)果制定相關(guān)檢修方案．常用的檢修方法有:
3．1 自診斷和數(shù)據(jù)流
CAN 網(wǎng)絡(luò)有一定的自我診斷功能，分為主動(dòng)錯(cuò)誤、被動(dòng)錯(cuò)誤、總線關(guān)閉三種錯(cuò)誤類型． 一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)CAN 總線關(guān)閉或無(wú)法收到相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)，控制模塊通常會(huì)產(chǎn)生故障碼．而當(dāng)控制模塊自身通信不良但無(wú)法自行檢測(cè)出來(lái)時(shí)，就不會(huì)產(chǎn)生故障碼，但其他控制模塊有可能產(chǎn)生通信故障碼．還有一種情況，就是控制模塊無(wú)法發(fā)送某些數(shù)據(jù)，但可以正常接收CAN 總線數(shù)據(jù)，而且能夠判斷自身出現(xiàn)問(wèn)題，于是產(chǎn)生故障碼，而其他控制模塊無(wú)法識(shí)別到傳輸故障．
故障碼的診斷要結(jié)合網(wǎng)絡(luò)傳輸特點(diǎn)和不同控制模塊之間的故障碼連帶關(guān)系進(jìn)行邏輯分析，同時(shí)結(jié)合數(shù)據(jù)流的相關(guān)信息來(lái)判斷哪個(gè)控制模塊有故障．
與一般電控系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析一樣，只是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障也會(huì)造成相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)生變化．
3．2 CAN 總線的電壓測(cè)量法
由于CAN 網(wǎng)絡(luò)采用多種協(xié)議，每個(gè)控制模塊的端口在正常的情況下都要標(biāo)準(zhǔn)電壓，因此電壓測(cè)量法可用于判斷線路是否有對(duì)地或電源短路、相線間短路等問(wèn)題．
3．3 CAN 總線的終端電阻檢測(cè)法
車系不同，終端電阻故障的表現(xiàn)形式也有所不同．當(dāng)終端電阻短路時(shí)，CAN H 和CAN L 的兩條導(dǎo)線短接在一起，會(huì)導(dǎo)致CAN 數(shù)據(jù)傳輸失?。鴮?duì)于終端電阻斷路問(wèn)題，則會(huì)有不同的故障表現(xiàn)形式．有的車系會(huì)導(dǎo)致CAN 通信失敗，有的車系則不會(huì)有明顯的影響，車輛基本能夠正常使用．
3．4 CAN 總線的控制模塊替換法
逐一斷開(kāi)CAN 網(wǎng)絡(luò)中的控制模塊，觀察CAN網(wǎng)絡(luò)的通信狀況，若通信恢復(fù)正常，則說(shuō)明故障是被斷開(kāi)的控制模塊損壞．
3．5 故障波形診斷法
通過(guò)測(cè)試CAN 總線物理層信號(hào)來(lái)確診CAN總線的故障．故障波形診斷法是判斷CAN 數(shù)據(jù)導(dǎo)線故障的主要手段，CAN 故障信息通常被存儲(chǔ)在故障碼存儲(chǔ)器中，然而故障記錄僅在個(gè)別情況下允許簡(jiǎn)單的診斷．絕大多數(shù)時(shí)候必須進(jìn)行詳細(xì)的檢查．通過(guò)示波器以波形圖的形式，檢查CAN-H( CAN-High) 與CAN-L( CAN-Low) 的工作情況．通過(guò)示波器顯示CAN 數(shù)據(jù)導(dǎo)線的波形情況，從而導(dǎo)出CAN 數(shù)據(jù)導(dǎo)線的故障情況．按系統(tǒng)可能的故障來(lái)源分類，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織( ISO) 編制出了CAN數(shù)據(jù)導(dǎo)線故障列表．下面簡(jiǎn)單列舉出通過(guò)示波器檢測(cè)到CAN 兩種工作情況的波形圖，以供參考．圖1 所示為驅(qū)動(dòng)CAN 正常波形，圖2 所示為驅(qū)動(dòng)CAN-H 與CAN-L 短路波形．
 
圖1 驅(qū)動(dòng)CAN 總線的正常波形圖

圖2 驅(qū)動(dòng)CAN-H 與CAN-L 短路波形圖
3．6 控制器匹配及自適應(yīng)調(diào)整
控制器匹配，自適應(yīng)調(diào)整是汽車維修服務(wù)過(guò)程中常見(jiàn)的服務(wù)項(xiàng)目． 在采用CAN 控制的汽車上，許多車型更換控制模塊后不能馬上工作，還要對(duì)電腦進(jìn)行編碼、還要對(duì)控制器或執(zhí)行器做自適應(yīng)匹配等操作才能正常工作．
4 CAN 總線的故障診斷步驟
對(duì)于多路信息傳輸系統(tǒng)的故障診斷，一般采用以下步驟進(jìn)行:
第一步: 了解故障車型的車載CAN 總線系統(tǒng)的特點(diǎn)和功能．如有無(wú)喚醒功能、休眠功能等．
第二步: 檢測(cè)汽車電源系統(tǒng)是否存在故障，如交流發(fā)電機(jī)的輸出波形是否正常( 若不正常將導(dǎo)致信號(hào)干擾等故障) 等．
第三步: 檢測(cè)車載CAN 總線系統(tǒng)的鏈路是否存在故障．
第四步: 檢查節(jié)點(diǎn)．如果是節(jié)點(diǎn)故障，只能采用替換法進(jìn)行檢測(cè)．
5 故障實(shí)例分析
5．1 故障實(shí)例一
一輛2009 款海馬S7，車主反映車輛停幾天不用后就無(wú)法啟動(dòng)，外接蓄電池后起動(dòng)正常，車主已經(jīng)更換了新的蓄電池，并且確認(rèn)停放車輛時(shí)關(guān)閉了所有可能引起放電的用電設(shè)備．
首先檢測(cè)了蓄電池的技術(shù)狀況，蓄電池虧電，給蓄電池充電，接下來(lái)鎖上車門后等待5 min，斷開(kāi)蓄電池負(fù)極測(cè)量車輛的靜態(tài)放電量，測(cè)得電流為180 mA，S7 車型的正常靜態(tài)放電電流是10 ～20 mA，用斷開(kāi)熔斷絲的方法檢查漏電處，當(dāng)斷開(kāi)ＲOOM 熔斷絲后靜態(tài)放電電流下降到40 mA 左右，查看電路圖，發(fā)現(xiàn)ＲOOM 熔斷絲控制的用電設(shè)備較多．逐一斷開(kāi)各用電設(shè)備，當(dāng)斷開(kāi)儀表連接線后，發(fā)現(xiàn)靜態(tài)放電電流馬上下降到40 mA 左右，更換了一塊新儀表總成，故障依舊，至此，初步懷疑儀表本身無(wú)故障，而可能是儀表不能進(jìn)入休眠狀態(tài)．
繼續(xù)查閱儀表電路圖，將能夠影響儀表休眠的因?yàn)樽隽朔治觯罱K懷疑可能是CAN 網(wǎng)絡(luò)原因造成儀表不能進(jìn)入休眠狀態(tài)．打開(kāi)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)，從診斷插座上測(cè)量故障車CAN 總線電壓，CAN-H 電壓為2．62 V，CAN-L 電壓為2．43 V，都正常． 關(guān)閉點(diǎn)火開(kāi)關(guān)并鎖上車門后，CAN-H 和CAN-L 電壓都為2 V 左右，始終不能降到0 V，由此斷定該故障車是由于CAN 不能進(jìn)入休眠狀態(tài)而導(dǎo)致車輛蓄電池漏電故障．
再次查閱資料，總結(jié)出S7 的CAN 網(wǎng)絡(luò)圖，如圖3 所示，根據(jù)S7 的CAN 網(wǎng)絡(luò)圖分析，初步判斷可能是CAN 網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)控制模塊故障所致，接著斷開(kāi)蓄電池連接線，測(cè)量?jī)蓷lCAN 線對(duì)地電阻，阻值為3．6 KΩ，正常，但CAN-H 線與CAN-L 線之間電阻阻值卻為40Ω 左右，正常車應(yīng)為60Ω 左右，分析可能是終端電阻有故障．資料顯示S7 的兩個(gè)終端電阻分別在發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊ECU 與車身穩(wěn)定系統(tǒng)ESP 中，如圖3 所示．

圖3 S7 的CAN 網(wǎng)絡(luò)圖
斷開(kāi)ESP 控制模塊插頭，測(cè)量診斷座上兩根CAN 線間電阻，為60Ω 左右，正常值應(yīng)為120Ω左右．裝回ESP 控制模塊插頭，再斷開(kāi)ECU 控制模塊插頭進(jìn)行測(cè)量，電阻也為60Ω 左右，正常值應(yīng)為120Ω 左右，測(cè)量結(jié)果說(shuō)明在ESP 與ECU 控制模塊中確實(shí)有兩個(gè)終端電阻，但測(cè)量結(jié)果顯示好像此車有3 個(gè)終端電阻，3個(gè)120Ω 的終端電阻并聯(lián)，剛好符合40Ω 的測(cè)量結(jié)果． 逐一斷開(kāi)各個(gè)控制模塊，查找另一個(gè)終端電阻的位置． 當(dāng)斷開(kāi)CD 后阻值恢復(fù)正常值，測(cè)量CD 上兩根CAN 線針腳間的電阻，為120Ω 左右，而正常的CD 內(nèi)部是不帶終端電阻的，斷開(kāi)CD 機(jī)插接線后，鎖門等待5 min 后，測(cè)量整車靜態(tài)放電電流為10 mA 左右，測(cè)量值在正常范圍內(nèi)，更換CD 機(jī)后，故障排除．終端電阻的基本功能是阻止信號(hào)的反向波，因?yàn)榉聪虿ǒB加在有效信號(hào)上，會(huì)造成信號(hào)失真，破壞CAN 總線數(shù)據(jù)．而數(shù)量不正確的終端電阻卻會(huì)造成整個(gè)CAN 無(wú)法進(jìn)入休眠狀態(tài)，而且該車型的CAN 電壓并不能體現(xiàn)多了個(gè)終端電阻的變化，診斷儀也能正常與各個(gè)控制模塊正常通信，控制模塊也無(wú)相關(guān)故障代碼的存儲(chǔ)．如果不測(cè)量?jī)筛鵆AN 線間的電阻，就無(wú)法發(fā)現(xiàn)故障原因，在判斷CAN 總線故障時(shí)，電壓、電阻都要測(cè)量，在測(cè)量電阻時(shí)一定要斷開(kāi)蓄電池連接線．
5．2 故障實(shí)例二
一輛2004 帕薩特B5 1．8T 轎車，行駛110 000km，出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)2 min 秒鐘后就自動(dòng)熄火故障．
該故障現(xiàn)象很象防盜報(bào)警系統(tǒng)起動(dòng)了，但是防盜報(bào)警燈卻始終沒(méi)有點(diǎn)亮，連接診斷儀，無(wú)法重新對(duì)防盜系統(tǒng)進(jìn)行匹配，在發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元能讀到2 個(gè)故障碼，分別是18056 表示動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線通訊失敗，17978 表示發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元被防盜控制單元閉鎖．在中央儀表控制單元和網(wǎng)關(guān)控制器內(nèi)也存有01312 號(hào)故障碼，表示動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線有故障或有缺陷．
由于發(fā)動(dòng)機(jī)不能起動(dòng)運(yùn)行，因此也無(wú)法對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流進(jìn)行分析，根據(jù)讀取故障碼分析，該故障應(yīng)屬于CAN 總線系統(tǒng)鏈路故障． 帕薩特B5 1．8T轎車的防盜控制器便安裝在儀表總成內(nèi)，若儀表控制單元與發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元因鏈路中斷而不能通訊，就會(huì)發(fā)生“發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元被防盜控制單元閉鎖”的故障，發(fā)動(dòng)機(jī)也不能起動(dòng)運(yùn)行．因此應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)檢查儀表控制單元到發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元的網(wǎng)絡(luò)通訊鏈路．電路圖如圖4 所示．

圖4 帕薩特B5 1．8T 儀表控制單元電路圖
電路圖中圈內(nèi)所示為儀表控制單元J285 與發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元J220 相連的雙絞線，是一組橙黑和橙棕的雙絞線，分別連接到儀表控制單元的T32b /19 和T32b /20，與發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元的T121 /60 和T121 /58 相連． 用示波器測(cè)得CAN-H 及CAN-L 波形，如圖5 所示．

圖5 測(cè)得的CAN-H 及CAN-L 波形圖
從波形圖可以看出，CAN-H 電壓值不到0．5 V，CAN-L 電壓值為0 V 左右，正常情況下，當(dāng)CAN總線喚醒后，CAN-H 對(duì)地電壓約為2．65 V．檢測(cè)結(jié)果說(shuō)明CAN-H 導(dǎo)線發(fā)生對(duì)地?cái)嗦饭收?，也就是儀表控制單元J285 與發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元的CAN-H 線出現(xiàn)對(duì)地?cái)嗦饭收希?br /> 沿著儀表連接線束向下查找，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)與駕駛倉(cāng)的連接防火墻線孔處，CAN-H 線表皮有磨損并與車身搭鐵．修復(fù)磨損的導(dǎo)線，清除所有控制器內(nèi)存儲(chǔ)的故障代碼，再次讀取故障碼，所有故障碼都不再出現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)也能夠正常起動(dòng)了，故障排除．
6 結(jié)論
CAN 總線技術(shù)作為一種可靠的汽車計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)總線，必將在汽車自動(dòng)控制技術(shù)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用．作為一名汽車維修技術(shù)人員，只有深入理解CAN 總線技術(shù)的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、技術(shù)特點(diǎn)、故障特點(diǎn)及檢修檢測(cè)方法，并在實(shí)際工作中不斷總結(jié)與探索，才能快速、準(zhǔn)確地排除采用車載CAN 總線技術(shù)的汽車故障．