01 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)絡系統(tǒng)，按照傳統(tǒng)的布線模式，電線的錯綜復雜對汽車的電氣控制及系統(tǒng)實時網(wǎng)絡通信帶來重重困難，CAN總線網(wǎng)絡的出現(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，在汽車電子技術的普及應用取得了重大進步。

Can-Bus總線技術是“控制器局域網(wǎng)總線技術（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，電子與通信技術廣泛應用的今天，如何檢測汽車網(wǎng)絡故障的發(fā)生，如何修復故障，使我們能夠保證穩(wěn)定和安全的應用CAN網(wǎng)絡技術服務于汽車產(chǎn)業(yè)，形成了本文研究的背景和意義。

02 汽車CAN總線網(wǎng)絡技術的概述

** 2.1 CAN總線網(wǎng)絡簡介**

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）是短幀結構（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)應答。
6）是總線型拓撲結構。
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)絡拓撲示例圖**

車內(nèi)CAN總線網(wǎng)絡拓撲示例圖見圖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。

03 汽車CAN總線關閉問題的成因分析

** 3.1 CAN總線關閉**

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。

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線路的故障都會導致CAN總線關閉問題的發(fā)生。以上述高速CAN網(wǎng)絡為例，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總線關閉問題的可能性。 造成CAN總線關閉的物理層因素，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，容易導致CAN總線關閉。

** 3.3 CAN總線軟件錯誤計數(shù)分析**

CAN網(wǎng)絡上每個節(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)而不會進入總線關閉狀態(tài)。

04 汽車CAN總線關閉的故障記錄與恢復建議

** 4.1 CAN總線關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，定義ECU與診斷儀之間的請求響應規(guī)則、ECU對于請求報文的處理行為以及請求、響應報文信息含義。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)絡節(jié)點單元把曾經(jīng)或現(xiàn)在發(fā)生的相關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總線關閉故障是存在的，即CAN網(wǎng)絡通信處在失效模式，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總線關閉的DTC記錄到非易失性存儲器中。

4.2 CAN總線關閉的恢復建議

我們的CAN診斷模塊在錯誤中斷或周期性查詢中發(fā)現(xiàn)總線關閉故障時，應該立即對CAN控制器的驅(qū)動及相關寄存器進行初始化操作，這樣，在初始化完成后，CAN總線關閉的故障能夠立即被解除。但是，該CAN節(jié)點在解除總線關閉故障后，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)生總線關閉的故障。

為了避免該節(jié)點在CAN網(wǎng)絡中頻繁發(fā)生總線關閉的問題，防止影響到網(wǎng)絡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，應該等待一定時間段后再嘗試發(fā)送報文是否成功。

05 結論

汽車CAN總線關閉故障發(fā)生時，應分析物理層包括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)動和恢復正常后，定時嘗試往外發(fā)送報文。CAN總線關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的健康發(fā)展起到一定的作用。