張葵葵，夏富民

（1.湖南交通職業(yè)技術學院汽車工程學院，湖南 長沙 410132；2.湖南永通一汽奧迪4S店售后服務部）

車載網(wǎng)絡系統(tǒng)中電控單元越來越多，要求不同的供貨商提供的電控單元能進行數(shù)據(jù)交換，在嚴格的車用環(huán)境下，對車載網(wǎng)絡系統(tǒng)的隨車診斷卻有其局限性：一方面，每個電控單元僅對本地通信進行監(jiān)控和診斷，置出相應的本地故障碼并上傳到網(wǎng)絡上共享；另一方面，當車載網(wǎng)絡中有一處通信中斷后會置出多個故障代碼，而這些故障代碼并沒有準確的故障點解釋。經(jīng)銷店的技師面對復雜的車載網(wǎng)絡系統(tǒng)，僅靠傳統(tǒng)的故障診斷方法，用故障代碼判斷故障點，根本不能精確定位故障，還會浪費時間。應從哪里下手進行故障診斷呢？德系車呈現(xiàn)的車載網(wǎng)絡系統(tǒng)是最復雜的，本文介紹基于總線通信協(xié)議和即時作業(yè)管理系統(tǒng)OSEK／VDX標準對德系轎車進行故障診斷的方法。

1 CAN總線通信協(xié)議和管理標準

1.1 CAN總線底層通信協(xié)議標準

適用于 CAN網(wǎng)OSI參考模型的層1和層2的通信協(xié)議標準為ISO11898，見圖1a，其5部分的分工是不同的，見圖1b。

1.2 CAN總線故障類型

依據(jù)ISO11898－3協(xié)議，車載網(wǎng)絡故障分成電源故障和總線故障兩個主要類型。電源故障指車載網(wǎng)絡節(jié)點本身的電源線或搭鐵線斷路故障，而CAN總線故障又表現(xiàn)為圖2［1］和表1情形。故障8是不可恢復的，影響總線功能；而故障1～7、9是單線故障，是可恢復的，不影響總線功能。在正常通信時可差動接收CAN_H和CAN_L輸入信號，也可以用單線傳輸，但單線傳輸模式的EMC性能抗干擾性和輻射性比差動模式差。

表1 CAN總線故障描述

以上故障類型也適用于高速CAN，但高速CAN網(wǎng)物理層由于內(nèi)部結(jié)構限制，不能提供任何容錯方法。如果出現(xiàn)故障，收發(fā)器內(nèi)的比較器不會發(fā)送信號，也沒有辦法實現(xiàn)通信，對于上述9種情況，高速CAN只有故障3、故障4兩種情況在物理層容錯范圍內(nèi) （故障3：在CAN_L上進行降級運行；故障4：在CAN_H上進行降級運行），其他幾種情況，網(wǎng)絡是不能運行的，并且各個電控單元之間也不可以實現(xiàn)通信。

低速CAN網(wǎng)容錯物理層的電壓水平也是標準化的，但其電壓振幅比高速CAN網(wǎng)物理層的要強，這是因為速率對應更慢。低速CAN網(wǎng)容錯物理層為故障提供一個容錯功能，因為其差分電路是由3個共用模式的比較器組成的，而這3個比較器用來將CAN_H和CAN_L與參照電壓進行比較。在這種情況下，3個比較器中間至少有一個總是能保持運轉(zhuǎn)的。以上CAN故障情形歸納為如下類型。

1）低速CAN單線斷路時的局部故障。單線斷路故障是局部故障，信息只通過另一根未斷線正常傳輸。該類故障是間歇性癥狀表現(xiàn)，有時又會顯現(xiàn)正常。如圖3所示，CAN_H線斷路 （故障1），第1輪信息傳輸中，故障在斷路點前未呈現(xiàn)故障征兆，在斷路點后呈現(xiàn)故障征兆；第2輪信息傳輸后，癥狀正好相反。因通信協(xié)議ISO 11992-1規(guī)定，當節(jié)點之間通信中斷超時，確認有故障后，節(jié)點之間的通信重新通過單線模式進行。出現(xiàn)單線斷路故障時，不允許改變數(shù)據(jù)，還得保留故障信息及故障狀態(tài)，在未確定出是哪根線受到影響時，各節(jié)點將信號在兩根網(wǎng)線上重置，直到確定出未響應線為止。這種反復試驗確認故障的方法僅適合節(jié)點少的條件，在節(jié)點增多后，故障查找將變得十分復雜和費時。這種單線斷路故障確認模式僅適用于貨車和牽引車上的低速CAN，傳輸速率在125kb／s。

2）CAN單線短路時的全局故障。單線短路故障是全局故障，故障狀態(tài)很少改變，呈現(xiàn)靜止故障顯示?？偩€通信協(xié)議故障管理系統(tǒng)對此限制少，允許改變數(shù)據(jù)或清除。局部故障優(yōu)先權高于全局故障，體現(xiàn)在故障管理系統(tǒng)對斷路故障容忍度大，而對于全局故障則會盡快恢復。單線CAN_H和CAN_L對電源短路 （故障3和故障6），信號點要超出正常范圍，故障易被察覺，故障管理系統(tǒng)將對沒受影響的傳輸線進行初始化。依據(jù)SAE J1939／12，這種超出范圍比較確認故障的方法適合于短路檢測，缺點是需要輔助8 V電源，低阻抗終端，且在車輛怠速時檢測結(jié)果不明顯。另外，從短路故障恢復到單線運行模式后，整個系統(tǒng)的電磁兼容性能降低，對搭鐵偏置的包容性也降低。

CAN_H搭鐵短路 （故障5）與CAN_H斷路 （故障1）故障現(xiàn)象一樣，屬于局部故障，而CAN_L搭鐵 （故障4）故障則屬于全局故障，檢測這類故障常常模棱兩可，需要電壓除外的輔助數(shù)據(jù)參照。

3）低速CAN雙線互短時的全局故障。CAN_H和CAN_L互短 （故障7）時，總線還可工作。

4）雙線斷路故障。雙線斷路，總線被隔斷，總線不能正常工作。

5）終端電阻斷路故障。數(shù)據(jù)傳輸終端是一個電阻，防止數(shù)據(jù)在線端以回聲的形式反射回而影響數(shù)據(jù)的傳輸。一般終端電阻值約120 Ω。大眾集團高速CAN使用的是分配式電阻，即每個控制單元內(nèi)部的終端電阻，見圖4a。高速CAN的CAN_H和CAN_L之間是通過電阻相連，彼此互相影響，所以高速CAN無法穩(wěn)定單線運行 （但網(wǎng)關能計錄單線故障碼），支路總電阻維持在60 Ω左右；大眾集團低速CAN控制單元的CAN_H和CAN_L之間不再通過電阻相連，而是各自搭鐵或在5 V導線間，見圖4b，所以低速CAN可以穩(wěn)定單線運行。

終端電阻斷路，依據(jù)分布式系統(tǒng)的特點總線還能正常工作，只是終端電控單元無法通信。

高速CAN終端電阻可以測量，如把便于拆裝的控制單元從總線上脫開，然后在插頭上測量CAN_H和CAN_L之間的電阻，見圖5。單個電阻也可各自分開測量，應為120Ω。低速CAN電阻無法測量。

6）總線傳輸受干擾的3種情況：①總線信號電壓過低，有搭鐵傾向，通常低于+／-1V；②泄漏電阻，通常高于5kΩ；③電磁干擾，總線干擾會導致不可恢復的硬故障。

所有低速CAN單線故障都可以被檢測到，故障3、4、6和7可被故障管理系統(tǒng)單獨檢測出來；故障1、2和5是被容錯的，則需要輔助方法才可被檢測出來。局部故障現(xiàn)象是暫時的，相關故障信息會變化，而全局故障呈現(xiàn)靜態(tài)故障信息顯示，便于故障位置判斷。

2 車載網(wǎng)路的拓撲分析

基于車用即時操作系統(tǒng)OSEK／VDX標準，其網(wǎng)絡管理 （NM）模塊提供了與節(jié)點相關 （本地）和網(wǎng)絡相關 （全局）的管理辦法，使用邏輯環(huán)直接監(jiān)控節(jié)點［1］。在邏輯環(huán)內(nèi)，每個節(jié)點都有一個邏輯后繼，邏輯環(huán)的第一節(jié)點是最后一個節(jié)點的后繼。每個節(jié)點都由其他節(jié)點動態(tài)監(jiān)控，通信次序與網(wǎng)絡結(jié)構無關，每個節(jié)點都有一個惟一的標識符 （ID值），邏輯環(huán)信息被從最低ID值的節(jié)點向最高ID值的節(jié)點順序傳輸，再返回最低ID值的節(jié)點，形成邏輯環(huán)［2］，見圖6。任何節(jié)點都必須向其他節(jié)點發(fā)送信息，并且從其他節(jié)點接收信息。

畫出車載網(wǎng)絡系統(tǒng)的拓撲簡圖，依據(jù)邏輯環(huán)的功能，進行故障診斷，見圖7［3］。用診斷儀檢測與電控單元1、電控單元2和電控單元3的通信，圖7標注的3條線表示節(jié)點間不通信，若出現(xiàn)多個故障代碼，從網(wǎng)絡拓撲圖中分析出故障點在電控單元3與總線通信中斷。

3 德系轎車CAN總線故障案例

車型：一輛一汽大眾汽車公司2008年8月生產(chǎn)的奧迪A6L（2.0T，CVT變速器，整車型號FV7201TCVT，發(fā)動機型號BPJ）轎車，行駛了9萬公里。故障現(xiàn)象：隨速轉(zhuǎn)向助力功能失效，轉(zhuǎn)向沉。

故障診斷：進行自診斷，查詢J520故障存儲，系統(tǒng)無法進入；進入J533內(nèi)讀取數(shù)據(jù)塊，顯示“CE2 0”，其他系統(tǒng)狀態(tài)正常，表明J520與J533之間的通信中斷。用VAS505X測量舒適總線波形，有部分波形不正常，將J520總線斷開后恢復正常，于是測量J520發(fā)出的波形，顯示為高低線的波形互換了，此時測量J520與J533之間的總線連接情況，而J520的高線與舒適低線相通，其低線與舒適高線相通，說明J520處的高低線接反，按照電路圖將其裝復后故障消失。

經(jīng)分析，此車事故維修時把J520高低線接反，導致其與總線系統(tǒng)無法正常通信，無法接收到車速信號，所以隨速助力功能失效，轉(zhuǎn)向沉。圖8為奧迪A6L-2.0T轉(zhuǎn)向助力無功能故障診斷網(wǎng)絡拓撲圖。

［1］ Robert Mores.Advanced Bus Failure Management for the Physical Layer of CAN［S］.1996 SAE International.

［2］ 毛亞茹.OSEK／VDX標準研究及應用［D］.吉林大學，2005.

［3］ JittiwutSuwatthikul， RossMcMurran， and R.Peter Jones.Adaptive OSEK Network Management for Invehicle Network Fault Detection［S］.Suwatthikul，J.；McMurran，R.；Jones，R.P.Vehicular Electronics and Safety，2007.ICVES.IEEE International Conference.

［4］ Timothy Robertson.Network Diagnostic Flow Chart-How to Troubleshoot Vehicle Level CAN Communication and CAN Diagnostic Issues on Nissan and Infinity Vehicles［S］.2014 SAE International.

［5］ Axel Deicke.The Electrical／Electronic Diagnostic Concept of the New 7Series［S］.2002 SAE International.