汽車CAN總線關(guān)閉故障的診斷與恢復(fù)

　　1 研究的背景和意義
　　從改革開放到現(xiàn)在，汽車產(chǎn)業(yè)對我國經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生巨大的推動，對社會進步產(chǎn)生了深遠的影響，逐漸成為了我國的支柱行業(yè)。近幾年來，隨著科技發(fā)展的日新月異，汽車上電子控制裝置越來越多，汽車音響，電子儀表，空調(diào)控制器，電噴發(fā)動機，BCM，ABS等等ECU在車內(nèi)形成了巨大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，按照傳統(tǒng)的布線模式，電線的錯綜復(fù)雜對汽車的電氣控制及系統(tǒng)實時網(wǎng)絡(luò)通信帶來重重困難，CAN總線網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，大大簡化了綜合布線，很好的解決了系統(tǒng)間的信息交互與共享，在汽車電子技術(shù)的普及應(yīng)用取得了重大進步。
　　Can-Bus總線技術(shù)是“控制器局域網(wǎng)總線技術(shù)（Controller Area Network-BUS）”的簡稱，它具有極強的抗干擾和糾錯能力，最早被用于飛機、坦克等武器電子系統(tǒng)的通訊聯(lián)絡(luò)上。
　　雖然CAN總線有著非常高的穩(wěn)定性，然而，一旦出現(xiàn)錯誤尤其是CAN總線關(guān)閉，對于汽車的整體功能甚至安全性都造成極大影響。為此，在汽車行業(yè)高速發(fā)展，電子與通信技術(shù)廣泛應(yīng)用的今天，如何檢測汽車網(wǎng)絡(luò)故障的發(fā)生，如何修復(fù)故障，使我們能夠保證穩(wěn)定和安全的應(yīng)用CAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)服務(wù)于汽車產(chǎn)業(yè)，形成了本文研究的背景和意義。
　　2 汽車CAN總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的概述
　　2.1 CAN總線網(wǎng)絡(luò)簡介
　　在八十年代，CAN總線是由德國博世公司研究開發(fā)而成一種串行通信協(xié)議，而今形成了CAN技術(shù)規(guī)范2.0，包括支持11位地址標準幀的2.0A版本，和支持11位地址標準幀與29位地址擴展幀的2.0B版本。它的出現(xiàn)解決了汽車內(nèi)部多個微控制器進行實時數(shù)據(jù)交互的問題。在物理層上，通信介質(zhì)一般是雙絞線，也可以使同軸電纜或光纖。CAN總線的技術(shù)有以下特點。
　　1）是多主系統(tǒng)。
　　2）最高波特率達到1 Mbit/sec。
　　3）是短幀結(jié)構(gòu)（每條報文最多8字節(jié)數(shù)據(jù)）。
　　4）有錯誤檢測與處理機制。
　　5）有數(shù)據(jù)校驗，幀內(nèi)應(yīng)答。
　　6）是總線型拓撲結(jié)構(gòu)。
　　7）是廣播發(fā)送。
　　8）具有基于優(yōu)先級的總線仲裁機制。
　　2.2 車內(nèi)CAN總線網(wǎng)絡(luò)拓撲示例圖
　　車內(nèi)CAN總線網(wǎng)絡(luò)拓撲示例圖見圖1。
　　2.3 CAN（高速）總線通信物理電平信號
　　CAN總線采用CAN_H與CAN_L的差分信號進行通信，顯性位為邏輯0，隱性位為邏輯1，并通過“線與”的機制決定總線電平。
　　2.4 CAN幀類型
　　CAN總線的幀類型包括：數(shù)據(jù)幀，遠程幀，幀間空間，錯誤幀，超載幀。其中總線關(guān)閉的故障就是由錯誤幀引起的。
　　2.5 CAN總線可檢測的錯誤類型
　　1）位錯誤：節(jié)點檢測到的位與自身送出的位數(shù)值不同。在仲裁或ACK位期間送出“隱性”位，而檢測到“顯性”位不導(dǎo)致位錯誤。
　　2）填充錯誤：在使用位填充編碼的幀場（幀起始至CRC序列）中，不允許出現(xiàn)六個連續(xù)相同的電平位。
　　3）CRC錯誤：節(jié)點計算的CRC序列與接收到的CRC序列不同。
　　4）格式錯誤：固定格式位場（如CRC界定符、ACK界定符、幀結(jié)束等）含有一個或更多非法位。
　　5）ACK錯誤：發(fā)送節(jié)點在ACK位期間未檢測到“顯性”位。
　　其中發(fā)送節(jié)點能檢測到的錯誤有位錯誤、格式錯誤、ACK錯誤。而接收節(jié)點能檢測到的錯誤有填充錯誤、格式錯誤、CRC錯誤。CAN控制器與收發(fā)器在檢測到錯誤時，會發(fā)出錯誤幀，通報到總線上發(fā)送或接收報文錯誤。
　　由于CAN總線有著極高的穩(wěn)定性，所以網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)錯誤而又不被檢測到的機會極低。假如一個高速CAN以500kbps的速率進行通信，總線的負載為25%，每年按照2000小時來算，那么至少要1000年才會漏檢一個錯誤。
　　3 汽車CAN總線關(guān)閉問題的成因分析
　　3.1 CAN總線關(guān)閉
　　CAN控制器可以判斷出錯誤的類型是總線上暫時的數(shù)據(jù)錯誤（如外部干擾等）還是持續(xù)的數(shù)據(jù)錯誤（如單元內(nèi)部故障、驅(qū)動器故障、斷線、短路等）。由此，當總線上發(fā)生持續(xù)數(shù)據(jù)錯誤時，CAN控制器內(nèi)部的錯誤計數(shù)器累積到總線關(guān)閉的閥值，可將引起此故障單元從總線上隔離出去，不參與跟總線其他節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)通信。
　　3.2 CAN（高速）總線常見物理故障分析
　　對于CAN總線常見的物理故障，主要是CAN線路產(chǎn)生的。其中包括：
　　1）CAN_H開路。
　　2）CAN_L開路。
　　3）CAN_H對VBAT短路。
　　4）CAN_L對GND短路。
　　5）CAN_H對GND短路。
　　6）CAN_L對VBAT短路。
　　7）CAN_H對CAN_L短路。
　　8）CAN_H和CAN_L開路。
　　9）終端電阻開路。如圖4。
　　但是根據(jù)ISO11898標準，CAN收發(fā)器具有一定的容錯性能。因此，并不是每一種CAN線路的故障都會導(dǎo)致CAN總線關(guān)閉問題的發(fā)生。以上述高速CAN網(wǎng)絡(luò)為例，除了4）CAN_L對GND短路和9）終端電阻開路是可以自身容錯外，其他線路故障都會存在引發(fā)CAN總線關(guān)閉問題的可能性。 　　造成CAN總線關(guān)閉的物理層因素，除了CAN線路的故障，還有可能是CAN控制器或收發(fā)器等元器件出現(xiàn)了故障，導(dǎo)致該CAN節(jié)點無法通信。另外，也有可能因為CAN總線信號的干擾，使得CAN信號的收發(fā)不能正確，尤其是不能正常發(fā)送報文，容易導(dǎo)致CAN總線關(guān)閉。
　　3.3 CAN總線軟件錯誤計數(shù)分析
　　CAN網(wǎng)絡(luò)上每個節(jié)點都含有REC（接收錯誤計數(shù)器）和TEC（發(fā)送錯誤計數(shù)器）。當接收錯誤產(chǎn)生時，REC增加；正確接收到數(shù)據(jù)幀，REC減少；當發(fā)送錯誤產(chǎn)生時，TEC增加；正確發(fā)送一幀數(shù)據(jù)幀，TEC減少；REC、TEC的數(shù)值會引發(fā)節(jié)點狀態(tài)改變。
　　CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點存在三種狀態(tài)：
　　1）主動錯誤，能正常的進行總線通信，錯誤產(chǎn)生時，發(fā)送主動錯誤幀。
　　2）被動錯誤，能夠進行總線通信，錯誤產(chǎn)生時，發(fā)送被動錯誤幀。
　　3）總線關(guān)閉，不能收發(fā)任何報文。
　　特殊案例：如果總線上只有一個節(jié)點，該節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀后得不到應(yīng)答，TEC最大只能計到128，即節(jié)點只會進入被動錯誤狀態(tài)而不會進入總線關(guān)閉狀態(tài)。
　　4 汽車CAN總線關(guān)閉的故障記錄與恢復(fù)建議
　　4.1 CAN總線關(guān)閉的故障診斷與記錄
　　診斷規(guī)范描述了一系列的診斷服務(wù)，定義ECU與診斷儀之間的請求響應(yīng)規(guī)則、ECU對于請求報文的處理行為以及請求、響應(yīng)報文信息含義。常用的診斷規(guī)范包括有UDS，KWP2000以及ISO15765等協(xié)議。其中記錄和讀取診斷故障碼（DTC）就是診斷的一項重要工作，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點單元把曾經(jīng)或現(xiàn)在發(fā)生的相關(guān)故障碼都保存在非易失性存儲器（NVM）中，隨時方便于汽車工程師檢查故障記錄。
　　我們對于CAN總線關(guān)閉故障的診斷流程是，CAN控制器在錯誤中斷里或者在周期性的查詢里，檢查BUS OFF寄存器的值，如果CAN控制器發(fā)生了BUS OFF，這個寄存器的值就會被賦真值。此時，CAN診斷模塊會把BUS OFF的DTC狀態(tài)中的Test Failed位給置上，表示當前檢查CAN總線關(guān)閉故障是存在的，即CAN網(wǎng)絡(luò)通信處在失效模式，同時把BUS OFF的記錄次數(shù)加1。當BUS OFF的記錄次數(shù)達到整車廠規(guī)定的閥值時，CAN診斷模塊會DTC狀態(tài)中的Confirmed位給置上，同時把CAN總線關(guān)閉的DTC記錄到非易失性存儲器中。
　　4.2 CAN總線關(guān)閉的恢復(fù)建議
　　我們的CAN診斷模塊在錯誤中斷或周期性查詢中發(fā)現(xiàn)總線關(guān)閉故障時，應(yīng)該立即對CAN控制器的驅(qū)動及相關(guān)寄存器進行初始化操作，這樣，在初始化完成后，CAN總線關(guān)閉的故障能夠立即被解除。但是，該CAN節(jié)點在解除總線關(guān)閉故障后，會繼續(xù)對外發(fā)送報文，如果此時產(chǎn)生總線關(guān)閉的真正外部因素沒有解除，該CAN節(jié)點仍有機會再次發(fā)生總線關(guān)閉的故障。
　　為了避免該節(jié)點在CAN網(wǎng)絡(luò)中頻繁發(fā)生總線關(guān)閉的問題，防止影響到網(wǎng)絡(luò)資源的消耗和對其他節(jié)點的不必要干擾，我們建議在CAN初始化完成后，不要立即對外發(fā)送CAN報文，應(yīng)該等待一定時間段后再嘗試發(fā)送報文是否成功。
　　5 結(jié)論
　　汽車CAN總線關(guān)閉故障發(fā)生時，應(yīng)分析物理層包括CAN線路、CAN控制器及收發(fā)器、CAN信號干擾等外在因素，同時分析CAN寄存器及軟件處理，重新初始化CAN驅(qū)動和恢復(fù)正常后，定時嘗試往外發(fā)送報文。CAN總線關(guān)閉嚴重影響到整車的功能與安全性，我們通過對故障的成因分析，提出合理的完善建議，希望能對汽車電子技術(shù)的健康發(fā)展起到一定的作用。
　　參考文獻
　　[1]恒潤科技，CAN規(guī)范2.0.2007.
　　[2]國際標準化組織，ISO14229.2006.
　　[3]國際標準化組織，ISO11898.2006.