总线系统检修

任务2　CAN总线系统检修

【任务导入】

一辆捷豹轿车，用户反映仪表板上的ABS、悬架及驱动防滑系统的故障警告灯同时报警。

【任务分析】

控制器局域网（Controller Area Network，简称CAN）广泛应用于汽车工业、航天工业等领域，是目前最有价值的现场总线之一。

【相关知识】

一、CAN的含义

CAN是Controller Area Network的缩写，称为控制单元的局域网，它是车用控制单元传输信息的一种传送形式。车上的布线空间有限，CAN总线系统的控制单元连接方式采用铜缆串行方式，因此，不同控制器之间的信息传送方式是广播式传输。也就是说，每个控制单元不指定接收者，而把所有的信息都往外发送，由接收控制器自主选择是否需要接收这些信息。CAN是一种世界标准的串行通信协议，为数据高速公路确定统一的“交通”规则。

二、Bus的概念

Bus即总线，与导线的信息传输相比，Bus组成的网络系统能够快速、准确、大量地传输信息。

三、CAN的组成

CAN的构成如图9－1所示，车身系统CAN为低速CAN（125Kb/s），动力传动系统CAN为高速CAN（500Kb/s），各种模块之间进行CAN通信，完成数据交换。

图9－1　CAN的构成

CAN接线如图9－2所示，中央电气模块（CEM）的CAN控制器具有双通道（CRXO、CTXO/CRX1、CTX1）的CAN接口，接到两个不同的网络总线（CANH、CANL）上。各模块通过收发器与CAN总线相连，相互交换数据。

图9－2　CAN接线

动系统模块；AUM—无线电模块；CCM—环境控制模块；CEM—中央电气模块；DDM—驾驶门控制模块；模块；ETM—电子节流阀模块；ECM—发动机模块；PHM—电话模块；PDM—乘客门控制模块；PSM—电—后部电子模块；SWM—转向器模块；SRS—安全气囊模块；TCM—变速器模块；UEM—前部电子模块

CAN控制器根据两根总线的电位差判断其总线的电平。总线的电平分显性电平与隐性电平两种，二者必居其一。发信节点通过改变该总线的电平，即可将报文发送到接收节点。与总线相连的所有节点都可以发送报文，在两个以上的节点同时开始发信的情况下，具有优先级报文的节点获得发信权，其他所有节点转为收信状态。

CAN主要由控制器和收发器组成，CAN控制器由一块可编程芯片上的逻辑电路组成，实现通信模型中物理层和数据链路层的功能，并对外提供与微处理器系统的物理接口。通过对CAN控制器的编程，可以设置其工作方式，控制其工作状态，进行数据发送和接收，以它为基础建立应用层。目前，CAN控制器可分为CAN独立控制器和CAN集成微控制器两种。CAN独立控制器使用比较灵活，可与多种类型的单片机、微型计算机的各类标准总线进行接口组合。CAN集成微控制器在许多特定情况下，使电路设计简化和紧凑，可靠性提高。CAN收发器提供了CAN控制器与物理总线之间的接口，是影响网络性能的关键因素。

四、CAN总线的数据传递原理

1．系统组成

如图9－3所示，CAN数据传输系统中每个模块的内部增加了一个CAN控制器、一个CAN收发器；每个模块外部连接了两条CAN数据总线；在系统中作为终端的两个模块，其内部还装有一个数据传输终端（有时数据传递终端安装在模块外部）。

图9－3　宝来轿车CAN数据总线系统

1）CAN控制器

CAN控制器的作用是接收电控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。

2）CAN收发器

CAN收发器是一个发送器和接收器的组合，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。

3）数据传输终端

数据传输终端实际是一个电阻器，其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。

4）CAN数据总线

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电控单元，各电控单元接收后进行计算。

2．数据传递过程

发动机模块向某模块CAN收发器发送数据，该模块CAN收发器接收到由发动机模块传来的数据，转换信号并发给本模块的控制器。CAN数据传输系统的其他模块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，则将该数据忽略掉。

一旦网络出现故障，相应的症状就可能会出现。每种症状（单根导线断路除外）都可能引起用户提出问题。这些症状包括以下方面。

（1）数据总线的两根导线短路。如果相互短路，将导致整个网络失效。

（2）导线与接地短路。若与接地短路，诊断仪器连接后没有任何模块会响应。

（3）导线与电源短路。在电路与电源短路后，将导致整个网络失效。

（4）单根导线断路。当单根导线发生断路时，用户可以进入到DATA LINK DIAGNOS．TIC菜单中，并进行测试。

（5）所有导线断路。如果靠近数据链接插口处的导线发生断路，解码器和网络之间将无法通信。然而，在网络的一个分支上发生两根导线都断路时，只有断路导线后面的模块无法与解码器进行通信。

（6）所有导线与地线短路。如果所有导线都与接地短路，将导致整个网络失效。所有的控制模块都将在故障模式影响管理下工作。汽车可以启动或行驶，但模块只能使用与其直接连接的传感器。

（7）内部控制模块故障。内部控制模块故障将导致整个网络失效。

（8）故障模式影响管理动力传动控制模块故障运行模式，该模式使发动机和变速器在主要功能失效状态期间继续工作。

整个数据传递过程如图9－4所示。各区域功能如表9－1所示。

图9－4　CAN数据的传递过程

表9－1　数据中各区域的功能

3．数据总线CAN的数据分配

若多个模块要同时发送各自的数据，则系统必须决定哪一个模块首先进行发送，具有最高优先级的数据首先发送。基于安全考虑，由ABS/DEL模块提供的数据比自动变速器模块提供的数据（驾驶舒适）更重要。

1）数据分配的高、低电位

数据分配每个位都有1个值，该值被定义为电位，即高电位和低电位，如表9－2所示。

表9－2　高电位或低电位

2）数据报告的优先权

在状态域中，形式为由11位组成的编码，其数据的组合形式决定了优先权，如表9－3所示。

表9－3　根据状态域中的11位编码组合形式决定优先权

4．干扰源

车辆中的干扰源由电火花和电磁线圈开关等作用产生，其他干扰源包括移动电话和发送站及产生电磁波的物体。电磁波影响或破坏CAN的数据传送。为防止数据传送的干扰，两条数据传输线缠绕在一起，也可防止传送数据所产生的辐射噪声，如图9－5所示。两根传输线上的电压相反。若一根数据线上的电压约为0V，则另一根数据线上的电压则约为5V。这样，两根线的总电压能保持常值，所产生的电磁场效应也会由于极性相反而互相抵消，因此可保证系统免受外界辐射干扰，且对外无辐射。

图9－5　两条数据线缠绕在一起防辐射

五、舒适系统CAN数据总线

舒适系统CAN数据总线连接五个模块，包括中央模块及四个车门的模块，如图9－6所示。舒适系统CAN数据传输有五个功能：中央门锁、电动窗、照明开关、电动调节和后视镜加热及自诊断功能。模块的各条传输线以星状汇聚一点，其优点是若一个模块发生故障，其他模块仍可发送各自的数据。

图9－6　舒适系统CAN数据总线

1．舒适系统CAN的特点

（1）通过车门连接所确定的线路较少。

（2）若出现对搭铁短路、对正极短路或线路间短路，CAN会转为紧急模式运行和转为单线模式运行。

（3）因为自诊断完全由中央模块控制，所以只需要较少的自诊断线。

（4）由于舒适系统中的数据能以较低的速率传输，所以发送器需要较低的功率。若某一根数据传输线发生故障，该系统可转换到单线模式运行，从而保证数据仍可传输。

2．舒适系统中CAN传输信息

信息与各自的功能状态有关，如无线电遥控操作信息、当前的中央门锁状态信息、故障信息等。表9－4所示是以驾驶员侧车门模块为例，介绍中央门锁状态和电动窗状态的传输信息。

表9－4　驾驶员侧车门模块的部分传输信息

例如，5位信息的位序为10101时，其位值状态如图9－7所示，各位序信息见表9－5。

图9－7　5位的位序为10101的数据波形

表9－5　位值为10101的信息含义

六、驱动CAN总线

1．驱动CAN总线组成

图9－8所示为奥迪车系中的驱动CAN总线元件布置，驱动CAN总线连接发动机控制单元、变速箱控制单元、制动ESP控制单元、安全气囊控制单元、电子驻车制动控制单元、大灯照程调节系统控制单元。由于它连接了发动机和变速箱等系统，故称为驱动CAN总线。

点火开关关闭后CAN总线通信一直有效，通信断路时（如拔下插头或某一控制单元供电断路）会产生故障记忆，在重新连接正常后必须删除所有控制单元的故障存储才可以正常运行。

图9－8　驱动CAN总线系统元件布置

2．驱动CAN总线的特点

（1）500Kb/s高速传输。

（2）级别CAN/C。

（3）双绞线：CAN．High为橙/黑色，CAN．Low为橙/棕色。

（4）在一根线断路/短路时所有功能都会停止。

3．电路控制与信号

图9－9所示为大众车系驱动CAN总线的电路简图，驱动CAN总线由15号线激活，速率是所有CAN总线中最高的，达到500Kb/s，采用终端电阻结构，其中心电阻为66Q（发动机电阻）；并且高低CAN总线为环状结构，即任一根CAN总线断路，CAN总线都无法工作。驱动CAN总线上的信号波形如图9－10所示。从双线信号中获得信号电平，如图9－11所示。

图9－9　驱动CAN总线的电路简图（大众）

驱动系统的CAN总线信号和逻辑信号：

CAN．High的高电平为3．5V，CAN．High的低电平为2．5V；

CAN．Low的高电平为2．5V，CAN．Low的低电平为1．5V；

逻辑“1”为CAN．High＝3．5V或CAN．Low＝1．5V，

逻辑“0”为CAN．High＝2．5V或CAN．Low＝2．5V。

图9－10　驱动CAN总线上的信号波形

图9－11　双线信号中获得信号电平波形图

七、诊断总线

在大众车系新型多路传输CAN总线中设置了诊断总线，诊断总线是用于诊断仪器和相应控制单元之间的信息交换，它被用来代替原来的K线或L线的功能（废气处理控制器除外）。当车辆使用诊断CAN总线结构后，VAS505l等诊断仪器必须使用相对应的新型诊断线（VAS5051/5A或VAS5051/6A），否则无法读出相应的诊断信息。诊断总线目前只能在VAS5051和VAS5052下工作，而不能适用于原来的诊断工具（如V．A．G1552等），如图9－12所示。注意：5051仪器的版本号必须在3．0以上才能使用诊断CAN总线。

诊断总线通过网关转接到相应的CAN总线上，然后再连接相应的控制器进行数据交换，如图9－13所示。

随着诊断总线的使用，大众车系将逐步淘汰控制器上的K线存储器，而采用CAN总线作为诊断仪器和控制器之间的信息连接线，该线被称为虚拟K线，如图9－14所示。

图9－12　网关诊断插头图

图9－13　诊断总线通过网关连接各控制器

图9－14　诊断总线（虚拟K线）示意图

车上的诊断接口也作出了相应的改动，如图9－15所示，诊断接口排列具体信息如表9－6所示。新型诊断线能够适用于旧型诊断接口。

图9－15　诊断接口布置图

表9－6　诊断接口端子含义

注：未标明的针脚号暂未使用。

八、网关的作用

网关（gateway）安装在手套箱后面的模块架上或集成在仪表内，如图9－16所示。

图9－16　网关的安装位置

网关是整车不同总线间的接口，以及诊断仪和在总线系统相连的控制单元间的接口，以使所有连接在CAN总线上的控制单元实现数据交换。驱动CAN总线、舒适CAN总线和显示CAN总线（信息娱乐CAN总线）的传输速率是不同的，所以不能直接进行数据交换。驱动CAN总线的速率为500Kb/s，舒适CAN总线的速率为100Kb/s，信息娱乐CAN总线（奥迪）100Kb/s，几种不同的总线系统必须以一个中间速率进行数据交换。作为诊断网关，在不改变数据的情况下，将驱动CAN总线、舒适CAN总线、信息娱乐总线的诊断信息传递到K线。作为数据网关，使连接在不同的数据总线上的控制单元能够交换数据，如图9－17所示。

图9－17　网关的作用

由于不同区域CAN总线的速率和识别代号不同，因此，一个信号要从一个总线进入到另一个总线区域，必须把它的识别代号和速率进行改变，这个任务由网关来完成。另外，网关还具有改变信息优先级的功能。如车辆发生相撞事故，气囊控制单元会发出负加速度传感器的信号，这个信号的优先级在驱动CAN总线系统非常高，但传到舒适CAN总线系统后，网关调低了它的优先级，因为它在舒适CAN总线系统的功能只是打开门和灯。

对于大众车系而言，舒适CAN总线和信息娱乐CAN总线在物理上是一个总线系统，但是它们在软件和硬件上是分开的，如图9－18所示。

图9－18　舒适CAN总线和信息娱乐CAN总线的关系图

九、网关的电路

网关的电路如图9－19所示。

图9－19　网关的电路

图9－20　网关实物

十、网关的其他功能

Polo轿车的网关是数据总线的诊断接口，网关实物如图9－20所示，集成在车载网络系统的控制单元J519中，数据总线的诊断接口J533有两个任务。第一个任务是在驱动CAN总线与舒适CAN总线系统间进行数据交换，如图9－21所示。

图9－21　网关进行数据交换示意图

由于两个总线系统传输速率不同，无法进行直接的通信，要进行系统间的信息交换需要建立连接，这个连接通过数据总线的诊断接口J533实现。网关编译来自总线系统的数据，并将数据继续传送给相关的其他总线系统。

CAN数据总线系统间的数据交换举例。通过CAN总线对不同系统的信息进行多重使用是现代化车辆电气系统的一个特点。

图9－22所示为从驱动CAN总线到舒适CAN总线的信息传送过程。车外温度由保险杠内的温度传感器测得，并向仪表板内带显示单元的控制单元传送。仪表控制单元与驱动CAN总线连接。发动机专用数据如冷却液温度、发动机转速，由发动机控制单元测量并提供给驱动CAN总线。在数据总线的诊断接口（网关）中驱动CAN总线的信息被转换到舒适CAN总线上，空调控制单元才可以读取这些信息并将其用于空调的调节。

如图9－23所示，Polo轿车上网关的第二个任务是将驱动CAN总线和舒适CAN总线上的诊断数据转换到车身导线上，反之亦然。这样就能将车辆、测量和信息系统VAS5051的数据用于自诊断。发动机控制单元、自动变速箱控制单元和舒适系统的中央控制单元有一根单独的车身导线。

图9－24所示是从驱动CAN总线到车身导线的信息传送过程的举例，由于导线连接中有一个故障，制动信号灯开关未向ABS控制单元提供信息。ABS控制单元连接在驱动CAN总线上，因而在它的故障代码存储器中存储了一个故障。

为了使车辆、测量和信息系统VAS 5051能处理这些诊断数据，车载网络系统控制单元内的数据总线诊断接口将诊断信息从驱动CAN总线转换到车身导线上，这时数据并没有发生变化，也就是说车身导线上的信息内容与CAN总线上的是相同的。

图9－22　从驱动CAN总线到舒适CAN总线的信息传送过程

图9－23　将驱动CAN总线和舒适CAN总线上的诊断数据转换到车身导线

图9－24　从驱动CAN总线到车身导线的信息传送过程

【任务实施】

一、实施环境

（1）汽车电器实训室或汽车整车实训室。

（2）装有典型电动车窗的轿车（如帕萨特B5、奇瑞A3）、工具车（配有拆装工具）、工作台、解剖的典型电动车窗（如帕萨特B5）。

（3）相应的维修手册或资料。

二、实施步骤

1．故障现象

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、燃油表和冷却液温度表指示为零的现象。图9－25所示为上海别克轿车的电源系统的电路图。

2．故障检修过程

用TECH2扫描工具（微机故障诊断仪）读取故障码，发现各个电控模块均没有当前故障码，而在历史故障码中出现多个故障码。其中，SDM（安全气囊控制模块）中出现U1040——失去与AKS控制模块的对话；U1000——二级功能失效；U1064——失去多重对话。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。

图9－25　上海别克轿车的电源系统的电路图

3．故障分析和排除

经过故障码的读取可以知道，该车的多路信息传输系统存在故障，因为OBD－Ⅱ规定U字头的故障码为汽车多路信息传输系统的故障码。通过查阅电路图可以知道，上面的电控模块共用一根电源线，并且通过前围板。由于故障码为间歇性的，依此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，经过相应处理后，故障排除。

【相关拓展】

一辆2006年产长安福特福克斯1．8L轿车，搭载手动变速器，行驶里程为2万千米，用户反映该车偶尔会出现电动车窗玻璃无法升降的情况，具体症状是，用遥控器整体打开、关闭几次全部车窗玻璃后，会出现玻璃只能下降、不能上升的现象。

根据用户反映的情况，我们对该车进行试车。经试车发现，用户反映的故障的确存在，同时我们还发现，当通过驾驶侧集控开关单独控制右后电动车窗玻璃几次后，也会出现全部电动车窗玻璃无法正常升降的现象，而升降其他车门电动车窗玻璃则不会出现此故障。

在长安福特福克斯轿车的车身电气控制系统中，四个电动车窗玻璃分别由四个门控单元控制，玻璃升降器电动机与门控单元组合在一起，四个门控单元通过中速CAN网络进行通信，如图9－26所示。根据维修经验，该车的电动车窗控制系统可能出现以下几个问题：多功能模块（CJB）故障、网络故障、门控单元故障、线路故障、开关故障及电动机故障。结合该车的具体故障症状，可分析认为故障原因很有可能是CAN网络出现问题。因为如果是各车门门控单元、电动机或开关出现问题，不会引起四个电动车窗玻璃升降功能全部失效的现象。

图9－26　门控单元通过中速CAN网络进行通信辖区线路

首先连接故障诊断仪IDS对车辆进行检测，设备显示了多个故障码，且这些故障码的含义大都是U、P开头的关于仪表和PCM的内容。鉴于有CAN网络的相关故障码，怀疑网络电压异常，于是决定在诊断接口处测量网络电压。根据该车的网络图，如图9－27所示，利用万用表测量发现，HS－CAN网络电压及电阻均正常；MS－CAN的“＋”、“－”端子均无电压，终端电阻为60Ω，也正常。在该车的MS－CAN网络系统中，两个端电阻分别安装在通用电器模块GEM和仪表控制单元ICM上，为此决定对它们进行重点检查。当在检查GEM的供电、搭铁时发现，为GEM供电的熔丝F46断路，但检查相关线路并未发现有短路的地方。在将该熔丝更换后，起初反复试车玻璃升降功能均正常，但在多次操作后故障再次出现。

此时再次检查熔丝F46正常，利用故障诊断仪IDS进行检测，设备又显示了多个故障码。经仔细对比，笔者发现，这些故障码与先前的故障码有所不同，GEM、RCM及门控单元相关故障码是这次才出现的。鉴于GEM、RCM及门控单元均是MS－CAN网络中的控制单元，外界温度的信号传递也是先通过线路传送至GEM，再通过MS－CAN网络传送到组合仪表，而故障出现时又恰好仪表板上的安全气囊警告灯点亮、外界温度无显示，故判定故障还是出在MS－CAN网络上。于是决定再次测量MS－CAN数据线的电压。经利用万用表测量两根数据线的电压发现，其中HS线的电压竟为0V；继续测量诊断接口3、4脚间的电阻，也接近0Ω，这说明MS－CAN的HS线对地短路。那么短路点会在哪儿呢？根据该车的网络图，先将C112插头断开，此时MS－CAN网络的HS线不再对地短路。重新连接好C112插头后，再继续断开C112后面的门控单元进行检查。当切断右后门控制单元的C54插头时，HS线不再对地短路，看来问题就在此处。于是拆开右后门饰板，仔细检查网络数据线发现，由于门内线束的卡扣没有固定好，其中一根数据线已经被玻璃升降器的托架磨破了，如图9－28所示，从而导致HS线对地短路。在对损坏的线路进行修复后，反复试车，故障未出现，故障排除。

图9－27　福克斯实车网络图

图9－28　玻璃升降器的托架磨破图

总结：我们在日常的维修工作中经常会遇到拆卸门内饰板的情况（如维修门锁、玻璃升降器时），如果我们在维修时能够严格按照维修手册操作规程去做，就可以避免该车故障的发生。通过对该车故障的维修，提醒我们做事一定要严肃、谨慎，小卡扣同样也会引发大问题。