CAN总线通信网络系统的诊断-汽车总线通信网络技术解析

（一）故障原因

CAN总线上通信故障可能是下列原因：

（1）CAN-H或CAN-L通信线断路或者短路；

（2）插头连接损坏（触头损坏、污垢或锈蚀）；

（3）车用电源系统中的故障电压（如由点火线圈损坏或接地连接引起）；

（4）某个控制模块中的通信部件故障；

（5）某个控制模块的供电故障或搭铁故障（当蓄电池电量快耗尽时蓄电池电压缓慢下降可能会存储故障记录，因为不是所有的控制单元都在电压下降的同时关闭）。

（二）检测步骤

CAN总线通信网络系统的故障检测步骤如下：

（1）了解该车型汽车总线系统传输的特点，包括传输介质、几种子网及车载网络传输系统的结构形式等；

（2）检查汽车总线系统传输的功能，如有无唤醒功能和睡眠功能等；

（3）检查汽车电源系统是否存在故障，如交流发电机的输出波形是否正常等；

（4）检查汽车总线系统传输的链路是否存在故障，可采用替换法或跨线法检查；

（5）如果是节点故障，则只能采用替换法进行检测。

（三）CAN总线的维修要点

进行CAN诊断和系统故障查询时，主要是检查总线上的信号电平是否对应于额定值，以及总线上的信号关系是否正常。如果信号电平和信号关系均正常，则可认为总线无故障，车辆中出现的故障是其他原因引起的。

控制单元通过插头连接在CAN上。在插头的压接点中始终只能连接一根导线。这就导致第二根导线必须在一个规定点上连接到CAN线束上。为了避免在维修CAN导线时把新的、可能影响安全的故障无意间引入车辆系统中，CAN的压接点绝对不能打开和通过维修更新。如果要脱开CAN导线，则只允许在与下个压接节点相距不小于100mm处进行。

由于CAN导线的铰合不良会影响CAN的抗干扰能，因此在维修CAN导线时要尽量少地干涉导线铰合，如图2-53所示。

图2-53　CAN导线的维修要点

1—铰合只可解开最长50mm；2—CAN导线断开处要与下一个压接节点相距至少100mm。

（四）CAN的故障诊断方法

CAN的故障诊断方法，包括网络测试、DTC读取、电阻测量、电压测量和波形测量等几种常用方法。此外，根据对故障现象的合理分析也可以初步判断故障原因。

1.故障现象

因为CAN的故障与节点或网络总线有关，所以发生故障后单个模块或部分模块的通信会丢失，因此从仪表上可以观察到相关模块的几种异常信息，如图2-54所示。

图2-54　仪表显示异常

例如，当高速CAN总线失效后，仪表上来自高速CAN的各种警告灯就会点亮。

2.网络测试

通过解码仪的“网络测试”功能，可以判断CAN模块是否存在通信异常现象，并可以快速而准确地找到故障原因。当执行网络测试时，故障诊断仪会与各个模块进行通信，并在相关界面显示文字提示或通过不同的颜色展示网络拓扑的测试结果，如图2-55所示。

图2-55　测试结果

通过颜色展示的测试结果如下：

（1）绿色表示模块对通信有反应，如TCM；

（2）红色表示模块对通信无反应，如ECM；

（3）灰色表示模块不属于车辆配置，如FSM。

3.故障代码（DTC）读取

车载网络的故障代码用“U”表示，如“TCM-U 010000”表示发动机控制模块失去通信。因此，当使用解码仪读取到此类故障码时，即可判断此故障与网络相关。

1）故障代码“TCM-U 010000”的信息解读

（1）此DTC由TCM存储；

（2）此DTC能通过解码仪读取，说明解码仪与TCM通信正常；

（3）TCM无法与ECM建立通信，则故障原因可能在ECM或总线上。

2）故障代码数量与故障原因的关系

（1）如果解码仪只读取到一个网络DTC，则该故障可能是由节点故障导致，如节点硬件故障、供电或接地不良等；

（2）如果出现多个网络DTC，则可能是总线出现故障。

4.主要技术参数检测

1）标准终端电阻的检测

在对CAN总线通信网络系统的故障诊断过程中，可以利用终端电阻来判断CAN总线通信网络系统是否出现故障，因为终端电阻是为了阻止CAN总线信号在CAN总线上产生变化电压的反射。终端电阻装在系统的两个控制单元内，当终端电阻出现故障时，线路的反射影响，会使控制模块的信号无效。

高速CAN总线通信网络系统上的终端电阻可以用万用表进行测量。在测量CAN总线电阻前，需断开蓄电池，以使CAN网络断电，并等待大约5 min，使所有的电容器都充分放电。测量时应将万用表的两个表笔分别连接在总线的CAN-H和CAN-L上，测量点可以在DLC或总线的其他节点位置。

在DLC位置，用万用表分别测量6号和14号针脚之间的电阻值，如图2-56所示。因为CEM与ECM中的终端电阻分别为120Ω，它们形成了并联关系，所以万用表的测量结果应为60Ω。

图2-56　HSCAN总线电阻检测

检测结果分析如下：

（1）如果测量结果为120Ω，则说明有一个终端电阻或一侧总线断路；

（2）如果测量结果为无穷大，则说明两个终端电阻或DLC支路断路；

（3）如果测量结果为0Ω，则说明CAN-H与CAN-L互相短路。

思考：

低速CAN总线通信网络系统上的终端电阻可以用万用表测量吗？为什么？

2）总线电压检测

通过测量CAN总线对蓄电池负极的电压，可以判断CAN总线是否能够正常地传输信号。测量时使用万用表的直流电压挡，并使CAN总线处于工作状态。

（1）检测高速CAN总线的电压。

测量点可以在高速CAN总线通信网络节点上的任意位置，如图2-57所示，这里从DLC的6号和14号针脚出测量高速CAN-H和CAN-L对蓄电池负极的电压。因CAN总线的CAN-H与CAN-L电压信号不一样，所以测量结果也有所区别。

CAN-H线信号电压在总线空闲时的电压约2.5 V，当总线上有信号传输时，总线上的电压在2.5～3.5 V之间高频波动，因此CAN-H线的主体电压应是2.5 V，所以万用表的测量值比空闲时的电压更大些（在2.8 V左右）。

同理，CAN-L线信号在总线空闲时的电压约为2.5 V，当总线上有信号传输时，总线上的电压在1.5～2.5 V之间高频波动，因此CAN-L线的主体电压应是2.5 V，所以万用表的测量值比空闲时的电压更小些（在2.3 V左右）。

图2-57　高速CAN总线电压检测

（2）检测低速CAN总线的电压。

测量点可以在低速CAN总线通信网络节点上的任意位置，如图2-58所示。

图2-58　低速CAN总线电压检测

CAN-H线信号在总线空闲时的电压约为0 V，当总线上有信号传输时，总线上的电压一直在0～3.6 V之间高频波动，因此CAN-H线的主体电压应为0 V，所以万用表的测量值为0.35 V左右。

同理，CAN-L线信号在总线空闲时的电压约为5 V，当总线上有信号传输时，总线上的电压值在1.4～5 V之间高频波动，因此CAN-L线的主体电压应5 V，所以万用表的测量值为4.7 V左右。

当低速CAN总线处于“休眠状态”时，CAN-H线电压为0 V，CAN-L线电压为12 V。

3）总线波形检查

如果总线存在故障，则通过测量和识别CAN总线的波形，可以直观地判断其故障性质。

（1）电路连接。

用汽车专用示波器对CAN总线双通道模式检测的电路连接，如图2-59所示。

图2-59　双通道模式检测的电路连接

（2）示波器用语解释如下：

触发电平，示波器的起始电压值；

触发源，示波器的触发通道，即通道CH1～CH6，以及外触发通道EXT；

触发沿，示波器显示时的波形上升沿或下降沿；

电压比例，每格垂直高度代表的电压值；

时基，每格水平长度代表的时间值；

直流耦合，测量交流和直流信号；

交流耦合，只允许信号的交流成分通过；

接地耦合，确认示波器显示的0 V电压位置；

自动触发，如果没有手动设定，示波器就自动触发并显示信号波形。

（3）汽车专用示波器DSO的设置。

下面以高速CAN总线波形测量为例，完成汽车专用示波器的设置，如图2-60所示。

图2-60　DSO仪器的设置

1—CH1通道；2—CH2通道；3—零线坐标；4—通道电压；5—触发沿；6—时间基准。

①触发源通道（CH1）测量CAN-H线。

②触发源通道（CH2）测量CAN-L线。

③通道（CH1）和通道（CH2）的零线坐标置于等高（零标记重合），在同一零坐标线下对电压值进行分析更为简便。

④通道（CH1）和通道（CH2）的电压，比例值在0.5 V/Div的设定下，DSO的显示被较好地利用，便于读取电压值。

⑤触发沿的设定，它位于被测定信号的范围内。当CAN-H线信号为2.5～3.5 V时，CAN低线信号为1.5～2.5 V。

⑥时间基准的单位值应尽可能选择得小一些，最小的时间单位值为0.02 ms/Div。

（4）电压特点。

高速CAN电压特点见表2-5。

表2-5　高速CAN电压特点

低速CAN电压特点见表2-6。

表2-6　低速CAN电压特点

（5）波形检查的关注位置。

①基准电压是否维持。在网络内所有控制器的高电位和低电位端子提供2.5 V（0 V/5 V）的基准电压。即使一些控制器被分离，但只要一个控制器被连接，网络的基准电压也不改变。

②数字格式是否变化。电压必须转换为数字格式以明显区分1和0。

③显性和隐性电压与基准电压是否一致。区分1和0的电压宽度非常小，所以检查两个电路的电压差与基准电压比较，即可明显地区分。

④每个位是否遵守预设定时间。如果位时间间隔增加，则数据内容变形。

⑤每个帧是否遵守预设定时间。如果帧时间（位时间×位计数）超过预设定时间，则可以判断在帧的故障信号输入。

（6）波形分析。(www.xing528.com)

①单波/位时间及压差测量。

a.高速CAN。

示波器设置：时间—2μs；电压—1 V。

分析点：单波/位时间、压差。高速CAN单波/位时间及压差的波形特征如图2-61所示。

图2-61　高速CAN单波/位时间及压差的波形特征

（a）同时测量CAN-H/CAN-L；（b）仅测量CAN-H

b.低速CAN。

示波器设置：时间—5μs；电压—1 V。

分析点：单波/位时间、压差。

低速CAN单波/位时间及压差的波形特征如图2-62所示。

图2-62　低速CAN单波/位时间及压差的波形特征

（a）同时测量CAN-H/CAN-L；（b）仅测量CAN-H

②帧时间测量。

a.高速CAN。

示波器设置：时间—100μs、电压—5 V。

分析点：区分正常通信波形和压缩波形。

高速CAN帧时间的波形特征如图2-63所示。

波形分析：

设置示波器时间为100μs，然后测量总线波形。如果测量结果为如图2-63所示的波形，则在设置间隔找出维持2.5 V（空闲）的点，并使用它为各帧的边界。然后测量总线空闲和如图2-63所示的空闲之间的时间，并检查是否重复一定间隔。如果传输到总线的数据正常时，则可以测量保持恒定形状的帧和如上所示的时间。如果两个通信电路的其中一个为断路或短路，则不保持恒定形状，此时测量的波形不均匀。如果示波器时间设置为大于100μs，则太多的帧压缩到屏幕，就不能找到空闲部分和测量帧时间。

图2-63　高速CAN帧时间的波形特征

b.低速CAN。

示波器设置：时间—1ms；电压—5 V。

分析点：恒定帧时间测量。

低速CAN帧时间的波形特征如图2-64所示。

图2-64　低速CAN帧时间的波形特征

波形分析：

与高速CAN比较，低速CAN有更大的电压波动和更慢的通信速度。因此，即使时间设置成1ms，也可以测量各帧。但时间如设置得太高，将不能找到总线空闲部分，且不能判断帧的起始点。其他部分用与高速CAN一样的方法完成波形分析。

5.CAN总线故障波形实例分析

1）高速CAN总线故障波形实例分析

（1）故障1：CAN-H线与CAN-L线短路。

当CAN-H与CAN-L短路时，总线整体失效，所有节点之间不能通信。

波形说明：电压电位置于隐性电压，电压值大约为2.5 V，如图2-65所示。

故障原因及判断方法：插拔驱动系统CAN总线上的控制单元，判断短路是由于控制单元引起还是由于CAN-H线和CAN-L线线路连接引起的。若是线路引起的短路，需要将CAN线组（CAN-H线和CAN-L线）从线节点处依次拔取，同时注意DSO的波形变化。直到故障线组被取下，DSO的图形恢复正常。

图2-65　CAN-H线与CAN-L线短路信号故障波形

（2）故障2：CAN-H线对地短路。

当CAN-H对地短路时，总线整体失效，所有节点之间不能通信。

波形说明：CAN-H线的电压为0 V，CAN-L线的电压也为0 V，但在CAN-L线上还能够观察到一小部分的电压变化，如图2-66所示。

该故障的判断方法与故障1相同。

图2-66　CAN-H线对地短路信号故障波形

（3）故障3：CAN-H线对蓄电池正极短路。

当CAN-H对蓄电池正极短路时，CAN总线具有继续工作能力。

波形说明：CAN-H线的显性电压电位被置于12 V，CAN-L线的隐性电压被置于大约12 V，如图2-67所示。

故障的判断方法与故障1相同。

图2-67　CAN-H线对蓄电池正极短路信号故障波形

（4）故障4：CAN-L线对地短路。

当CAN-L对地短路时，可以实现网络通信，因为CAN总线电压在共模电压范围内。但是总线的抗扰度降低，电磁辐射增加。

波形说明：CAN-L线的电压大约为0 V，CAN-H线的隐性电压也被降到0 V，如图2-68所示。

该故障的判断方法与故障1相同。

图2-68　CAN-L线对地短路信号故障波形

（5）故障5：CAN-L线对蓄电池正极短路。

当CAN-L对蓄电池正极短路时，总线整体失效，CAN网络不能工作。

波形说明：两条总线电压大约都为12 V，如图2-69所示。

该故障的判断方法与故障1相同。

（6）故障6：CAN-L线断路。

当总线上CAN-L断路时，则断路对侧的节点之间无法进行通信。断路同侧的节点之间可以进行通信，但是由于终端电阻的合成作用，降低了通信抗扰度，波形如图2-70所示。

该故障的判断方法与故障1相同。

图2-69　CAN-L线对蓄电池正极短路信号故障波形

图2-70　CAN-L线断路信号故障波形

（7）故障7：CAN-H线断路。

当总线上CAN-H断路时，断路对侧的节点之间无法进行通信，而断路同侧的节点之间可以进行通信，但由于终端电阻的合成作用，降低了通信抗扰度，波形如图2-71所示。

该故障的判断方法与故障1相同。

图2-71　CAN-H线断路信号故障波形

2）低速CAN总线故障波形实例分析

（1）故障1：低速CAN-L线对地短路。

当低速CAN-L线对地短路故障时，检测到的信号波形如图2-72所示。

波形说明：CAN-L线此时电压为0 V，CAN-H线信号正常，低速CAN总线系统处于“单线工作”模式。

图2-72　低速CAN-L线对搭铁短路的信号故障波形

（2）故障2：低速CAN-H线对正极短路。

当低速CAN-H线对正极短路故障时，检测到的信号波形如图2-73。

波形说明：CAN-H线此时电压为12 V，CAN-L线信号正常，低速CAN总线系统处于“单线工作”模式。

图2-73　低速CAN-H线对正极短路的信号故障波形

（3）故障3：低速CAN-L线断路。

当低速CAN-L线断路故障时，检测到的信号波形如图2-74所示。

波形说明：CAN-L线此时为5 V的隐性电压，并有一单波应答信号。CAN-H线信号正常，低速CAN总线系统处于“单线工作”和“双线工作”交替变化的状态。

（4）故障4：低速CAN-H线断路。

当CAN-H线断路时，检测到的信号波形如图2-75所示。

波形说明：CAN-H线此时为0 V的隐性电压，并有一单波应答信号。CAN-L线信号正常，低速CAN总线系统处于“单线工作”和“双线工作”交替变化状态。

图2-74　低速CAN-L线断路的信号故障波形

图2-75　低速CAN-H线断路的信号故障波形

（5）故障5：低速CAN-H线和CAN-L线短路。

当低速CAN数据总线CAN-H和CAN-L短路时，检测到的信号波形如图2-76所示。

波形说明：低速CAN-H线和CAN-L线的信号为同步电压信号，电压信号正常，此时如CAN-L与CAN-H的电压差为0，线性界面就会认识到CAN-H和CAN-L之间短路，那么CAN-L自动断开。低速CAN总线系统处于单线工作模式。

图2-76　低速CAN-H线和CAN-L线短路的信号故障波形

（6）故障6：低速CAN数据总线CAN-H和CAN-L交叉连接。

当低速CAN数据总线CAN-H和CAN-L交叉连接故障时，检测到的信号波形如图2-77所示。

波形说明：当CAN-H和CAN-L交叉连接故障时，总线CAN-H和总线CAN-L的信号波形反向，低速CAN总线系统处于“单线工作”模式。

图2-77　低速CAN-H线和CAN-L线交叉连接的信号故障波形

（7）故障7：低速CAN总线间接短路。

当低速CAN-L线间接短路故障时，CAN-L导线通过一个560Ω的接触电阻与接地连接。隐性电平明显向0 V移动，显性电平仍保持额定值，如图2-78所示。

图2-78　CAN-L导线通过一个560Ω的接触电阻与接地连接时的总线信号波形

如果一根总线导线上的信号未完全达到0 V或工作电压，而是仅在其方向上移动某个值，则不存在直接短路。因为导线已通过一个电阻与该电位连接，通过电阻的间接短路通常会在车辆渗水时发生。此外，污垢、清洗剂和盐都可能导致间接短路。另一种可能性是，一根总线电缆磨损并通过油漆、污垢和氧化铁与地连接。我们必须非常细致地判断该故障产生的波形图，因为故障症状与接触电阻的大小有关并且不同的电阻差别可能很大。

对于CAN导线由于电阻引起的所有负载，可作为经验法则提出，隐性电位能够略微移动，且总是向负载电阻拉动的方向移动。如果负载电阻向接地拉动，则这些电位向0 V方向移动。如果电阻向+12 V拉动，则电位向+12 V方向移动。显性信号也同样受影响，但为此需要的电阻小得多。

（8）故障8：低速CAN数据总线不能进入睡眠模式。

低速CAN数据总线睡眠模式时的信号波形如图2-79所示。当低速CAN数据总线满足睡眠模式条件，如检测到的信号波形与图2-79所示不符，即CAN-H上的电压不为0 V、CAN-L上的电压不为12 V，则低速CAN数据总线上相关节点故障的可能性较大。

图2-79　低速CAN数据总线处于睡眠模式时的信号波形