剖析通用汽车CAN总线结构原理及故障

    随着电子技术的发展，汽车上使用的模块越来越多，而连通众多模块的总线系统也越来越复杂。总线系统的结构及原理对于解决电气系统故障起着极其重要的作用。本文重点讨论上汽通用旗下科鲁兹汽车所使用的CAN总线系统结构及原理。对上汽通用汽车出现的CAN总线相关故障及解决办法进行阐述。

    一、上汽通用汽车所应用的总线类型及特点
      目前上汽通用旗下的别克、雪佛兰、凯迪拉克等品牌的汽车，所用到的总线系统包括:CAN总线、低速总线、LIN总线及MOST网络。
    CAN总线采用双绞线通信技术，它的传输速度较快，可达到500kb/s。通常将发动机控制模块（ECM）、车身控制模块（BCM）、电子制动控制模块（EBCM）等系统连接入内。当然，不同型号、不同配置的汽车会因为所使用的模块不同，而导致CAN总线中存在的模块数量不同。如若需要连入CAN总线的模块数量较多，则可以使用2组CAN总线系统。如：君越汽车除了具有连接发动机控制模块、车身控制模块的动力总线之外还有连接悬架控制模块、动力转向控制模块等众多模块的底盘扩展总线。动力总线与底盘扩展总线，除了连接的模块及数量不同之外，其通信的方式都是一样的。
    在通用汽车上，连接空调模块、收音机模块、座椅记忆及加热模块等车辆舒适系统的模块所使用的是低速总线。低速总线采用单线连接，传输速度为33.3kb/s。
    LIN线网络也是采用单线连接的网络，其传输速度在2.4～19.6kb/s之间。通用汽车在车窗及天窗控制中使用了LIN线网络。
    MOST网络是利用光导纤维作为信息传导媒介，进行数字信号传输的网络。MOST网络在通用汽车近几年的高端车型上逐渐使用，其传输速度可达到150Mb/s，采用双线单向传输。所有连接MOST网络的模块通过总线系统连接到1个环状网络之中。

      二、CAN总线的结构原理
    不同车型上CAN总线连接的模块数量不同，越高端的汽车，模块数量也会越多。但不管模块数量有多少，都不外乎2个终端模块及中间模块。我们使用通用汽车科鲁兹车型为例来进行介绍。科鲁兹汽车的两个终端模块分别是车身控制模块及发动机控制模块，中间模块根据不同配置而有所不同，但无论哪种配置都会有电子制动控制模块存在。
    如图1所示，在科鲁兹汽车的终端模块中各有1个终端电阻，电阻值均为120Ω。最左端的数据传输线连接器是指OBD-2接口，也就是GDS诊断系统与汽车的硬件接口。其中8、14是指接口的第8号和14号线。数据传输线连接器的端口如图2所示。各引脚的作用如表1所示。




    从表1中我们可以看出，数据传输线连接器有CAN总线及低速总线的信号，这也是我们通过此接口与诊断仪连接后能读取总线上相关模块信息的原因。如，我们可以读取发动机的各项参数，因为发动机控制模块在CAN总线上；我们可以读取空调系统的各项参数，因为空调控制模块在低速总线上。在系统控制的过程中，CAN总线与低速总线并没有直接相连，但是这两路总线之间也需要传递信号。如，在低速总线上的仪表模块需要读取内燃机的转速信号进而在仪表上显示。这时在CAN总线与低速总线之间需要有1个转换模块，在通用汽车上使用车身控制模块来承担这一任务，我们通常也称其为网关。不同网络之间的信号可以通过车身控制模块来进行转换及传输。
    如果我们用示波器测量数据传输线连接器的6号、14号线的话，可以得到如图3所示的波形。闲时的波形数据都是2.5V，当数据启用时会产生CAN总线（高）增加1V，CAN总线（低）降低1V的工作波形。数据线中使用二者的差来作为信号，这样可以消除外界电磁干扰的作用。因为干扰产生时，2条总线数据同时变高或变低，但差值不会改变。

    三、CAN总线故障案例剖析
      1．有1辆已经行驶6.4万km的2014款科鲁兹汽车出现启动故障，即钥匙旋转到ON挡位时仪表正常，旋转到 START挡位时汽车启动机不转。使用万用表测量数据传输线连接器6、14端子电阻，阻值为120Ω。
    分析：由图1我们可以知道，CAN总线是2个120Ω的电阻进行并联的。因此从6、14号端子测量电阻的话，正常应该是60Ω。此时120Ω的电阻说明CAN总线出现了开路。经检测，发现是电子制动控制模块插线松脱所导致，重新插紧接线器问题解决。
      虽然问题已经解决，但我们仍需要进行深层次探讨。CAN总线断开，为什么会导致启动故障呢？是因为发动机防盗系统在工作时需要BCM与ECM进行通信。钥匙旋于START挡时，密码信号首先被阻断器模块读取，然后通过LIN线传送给BCM，BCM进行钥匙合法性检测。检测通过后BCM发信号给ECM，ECM反发挑战码给BCM，BCM运算得出结论后再发送给ECM，ECM验证确认统一性之后才进行启动。而BCM与ECM的验证动作是通过CAN总线进行的，如果通信中断，则验证过程无法正常进行，所以不能启动。
      由以上分析可知，无法启动的原因是BCM与ECM通信受阻。假如BCM至连接器6号或14号线开路，从连接器处读取电阻值为∞，可是汽车启动仍然正常。这样的故障会导致解码器无法读到CAN总线上模块的数据，但是却不会影响汽车的各项功能。
      如果从6、14号线中读出120Ω电阻的话，一定会导致汽车无法启动吗？答案是否定的。我们曾在科鲁兹车上将BCM的终端电阻断开，但没有中断BCM与ECM的通信线路，发现启动依然正常。这说明终端电阻的存在与否不是传输通断的必然条件。终端电阻起防止线路中信号反射干扰的作用，因此电阻去除后会使信号出现杂波，但不一定会导致信号无法识别。但是不是一定对通信不造成任何影响呢？答案也是否定的。下面的案例可以给我们一些启迪。
2．有1辆2014款君越汽车，行驶途中出现仪表指针乱跳的故障现象。即发动机转速指针、车速指针、燃油液位置指针、内燃机温度指针全都出现大范围震颤的现象。
    分析：车辆送检之后，经各项动作检测，没有发现明显受影响的动作。使用GDS检测，显示CAN线通信故障。使用万用表测量电阻，显示120Ω。使用示波器读取总线信号，显示有信号存在。因为电阻显示不正常，因此我们从2个终端电阻之一开始逐步测量，确认具体的线路中断位置。最终确认是由于驻车控制模块插线器凸舌端子脱落，导致CAN线通信中断。更换端子之后故障排除。在此车中，驻车控制模块是终端模块，也即模块中有终端电阻。此终端电阻去除后影响到了通信，但通信也不是完全失效，在启动瞬间，信号传递还是可以进行的。但是由于君越的CAN总线中模块较多，通信线路较长，所以反射干扰比较严重，有数据丢包现象存在，所以仪表震颤。
    如上的现象我们可以看到，CAN线不正常通信会导致仪表显示不正常。CAN线中断后无法启动，那要是启动之后再中断CAN线会存在什么问题呢？我们使用科鲁兹做试验，将汽车启动之后再把电子制动控制模块断开，汽车发动机工作正常，不会熄火。但是仪表无显示，所有指针均在零位。并且即使汽车在路上行驶数公里后，仪表总行驶里程也不增加。

      四、维修总结
    通过以上分析我们最终获得如下结论。CAN总线是关系到BCM与ECM通信的，所以如若中断，会导致汽车无法启动。CAN总线中即使终端电阻丢失，如若不断开通信线路，也不一定会导致无法启动，但有可能会导致仪表工作不正常。汽车启动之后CAN线通信中断，发动机工作正常，但仪表显示不正常。
 

来源:网络