CAN總線通訊是我們每天都會(huì)使用的工業(yè)通訊總線，工程師經(jīng)常會(huì)遇到各種由于CAN總線通訊異常導(dǎo)致的問題。這篇文章將會(huì)帶您了解怎么進(jìn)行新能源汽車CAN總線的故障定位與干擾排除。

01

新能源汽車的未來發(fā)展

現(xiàn)在大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、智能家居等概念已經(jīng)滲透進(jìn)了千家萬戶，也滲透到了汽車工業(yè)的未來，典型例子就是汽車的自動(dòng)化駕駛。

圖1 車輛內(nèi)通訊量隨年份變化表

如圖1所示，隨著車輛實(shí)現(xiàn)的功能逐漸增多，整車的網(wǎng)絡(luò)也越來越復(fù)雜，需要進(jìn)行的通訊量也隨著暴漲。為了面對(duì)數(shù)據(jù)傳輸量的暴增，未來新能源汽車將會(huì)逐步從現(xiàn)在有的CAN總線通訊逐步升級(jí)到CAN FD，來應(yīng)對(duì)該變化。

02

CAN總線故障定位

CAN總線的故障問題絕大多數(shù)都是由于物理層傳輸出現(xiàn)問題導(dǎo)致的，所以為了對(duì)CAN總線故障定位，就需要對(duì)CAN總線的報(bào)文進(jìn)行分析。

圖2 CAN總線異常狀態(tài)波形圖

新能源汽車中常見的問題是干擾問題。如圖2所示是使用我司CANScope總線分析儀捕獲到的某車輛通訊的波形，在進(jìn)行CAN總線故障定位時(shí)，要根據(jù)波形情況來判定異常干擾的原因。

可以看到在CAN_H和CAN_L上均有異常共模信號(hào)疊加，所以針對(duì)異常共模信號(hào)做FFT頻譜分析，幫助用戶快速定位共模干擾頻率。

圖3 FFT分析結(jié)果

如圖3所示為FFT分析結(jié)果，可以看到干擾主要集中在1264KHz附近，證明在該CAN總線網(wǎng)絡(luò)中有某個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生了這個(gè)頻率的信號(hào)，串?dāng)_進(jìn)了CAN總線網(wǎng)絡(luò)中，導(dǎo)致總線通訊發(fā)生異常。

圖4 CAN總線網(wǎng)絡(luò)示例圖

如圖4所示為該CAN總線網(wǎng)絡(luò)的示例圖，針對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試后發(fā)現(xiàn)該共模干擾頻率與逆變器頻率吻合，最終確定是由于逆變器信號(hào)串?dāng)_進(jìn)入總線導(dǎo)致通訊異常。

03

干擾排除方法

當(dāng)我們確定了CAN總線的故障原因以后，需要進(jìn)行干擾排除，那么下面將介紹常用的抗干擾解決方案。

① 增加隔離模塊

干擾不但影響信號(hào)，更嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致板子死機(jī)或者燒毀，所以接口和電源的隔離是抗干擾的第一步。隔離的主要目的是：避免地回流燒毀電路板和限制干擾的幅度。如圖5所示，未隔離時(shí)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的地電位不一致，導(dǎo)致有回流電流，產(chǎn)生共模信號(hào)，CAN的抗共模干擾能力是-12~7V，超過這個(gè)差值則出現(xiàn)錯(cuò)誤，如果共模差超過±36V，燒毀收發(fā)器或者電路板。增加CTM隔離模塊后，就隔絕了地回流，限制了干擾幅度，增加了總線抗干擾性。

圖5 差分抗干擾示意圖

② 增加雙絞程度

CAN總線為了提高抗干擾能力，采用CANH和CANL差分傳輸，達(dá)到效果就是遇到干擾后，可以“同上同下”，最后CANH-CANL的差分值保持不變。如圖6所示。

圖6 差分抗干擾示意圖

CANH和CANL要緊密地絞在一起，通常雙絞線只有33絞/米，而在強(qiáng)干擾場(chǎng)合，雙絞程度要到45-55絞/米才能達(dá)到較好的抗干擾效果。

③ CAN線保證屏蔽效果與正確接地

帶屏蔽層的CAN線，可以良好地抵御電場(chǎng)的干擾，等于整個(gè)屏蔽層是一個(gè)等勢(shì)體，避免CAN導(dǎo)線受到干擾。如圖7所示，為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的屏蔽雙絞線，CANH和CANL通過鋁箔和無氧銅絲屏蔽網(wǎng)包裹，如圖7所示。需要注意的是和與接插件的連接，在連接部分允許有短于25 mm 的電纜不用雙絞。較好的CAN屏蔽線帶有2層屏蔽層，稱為雙層屏蔽線，其中內(nèi)層的CAN_GND是與CAN收發(fā)器的地連接，外層的Shield是與外殼大地相連。

圖7 屏蔽雙絞線

④ CAN線遠(yuǎn)離干擾源

遠(yuǎn)離干擾源是最簡(jiǎn)單的抗干擾方法，如果CAN線與強(qiáng)電干擾源遠(yuǎn)離0.5米，干擾就基本影響不到了?？墒窃趯?shí)際布線中，經(jīng)常遇到空間太小而不得不和強(qiáng)電混在一起，如圖8所示，為某新能源汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，CAN線與驅(qū)動(dòng)線混在一起，結(jié)果導(dǎo)致干擾很大。只要與CAN并行的驅(qū)動(dòng)線，具備2A/秒的電流變化，就會(huì)耦合出強(qiáng)磁場(chǎng)而導(dǎo)致CAN線上出現(xiàn)干擾脈沖。所以CAN線必須要和電流會(huì)劇烈變化的線纜遠(yuǎn)離。比如繼電器、電磁閥、逆變器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)線等。

圖8 布線亂問題

而解決這個(gè)問題，只能盡量保證強(qiáng)電與弱電分開捆扎，距離上盡量遠(yuǎn)離。實(shí)在避不開，也要垂直交叉，也不能平行布線。

⑤ 增加磁環(huán)或者共模電感

使用抗干擾的磁環(huán)，目的就是削弱特定頻率的干擾的影響。如圖9所示，為增加磁環(huán)的效果。CAN差分線纜可以兩線一起加，或者單端單獨(dú)加。

圖9 增加磁環(huán)

磁環(huán)的效果可以大大削減特定頻率的干擾強(qiáng)度，在增加磁環(huán)前，需要用CANScope或者示波器FFT快速傅里葉變化功能，測(cè)試出最高干擾的頻率，然后向磁環(huán)廠家定制對(duì)應(yīng)頻率的磁環(huán)。如圖10所示。為增加磁環(huán)前和增加磁環(huán)后的FFT的結(jié)果。可以看出干擾強(qiáng)度明顯減小。

圖 10

⑥ 使用CAN網(wǎng)橋

圖 11 CAN網(wǎng)橋抗干擾示意圖

通過圖11可以看到，波形在經(jīng)過CAN網(wǎng)橋之前，由于總線電容過大，下降沿變得非常緩，形成了鐮刀狀，這樣就容易導(dǎo)致位采樣錯(cuò)誤。而經(jīng)過CAN網(wǎng)橋后，報(bào)文波形經(jīng)過整形后重新發(fā)出，可以看到波形整體情況良好，能夠保證報(bào)文的正常收發(fā)。

04

測(cè)試解決方案

這是CAN總線的冰山模型，當(dāng)前工程師只關(guān)注露出水面部分：發(fā)送是否正常和協(xié)議解析，但是底層還有很多影響的因素，如壓力測(cè)試，總線延遲等。

圖 12 CAN總線冰山模型

為了保證CAN總線的通訊正常，在研發(fā)測(cè)試時(shí)就需要對(duì)其進(jìn)行多種測(cè)試，以增加CAN總線的魯棒性和一致性，保證通訊正常。

① CAN總線魯棒性測(cè)試

CANScope-Pro 專業(yè)版 CAN 分析儀具備施放錯(cuò)誤干擾的功能，可以對(duì)某個(gè)節(jié)點(diǎn)或者某 個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行錯(cuò)誤干擾，以驗(yàn)證這個(gè)節(jié)點(diǎn)或者系統(tǒng)的魯棒性（可恢復(fù)性）。

CANScope 設(shè)備所施放的錯(cuò)誤干擾均為“數(shù)字式”。即當(dāng)已經(jīng)配置好的干擾將被激發(fā)。特定的干擾脈沖破壞 CAN 報(bào)文的位邏輯信號(hào)，導(dǎo)致 CAN 控制器識(shí)別錯(cuò)誤。其能量均為正常的 CAN 電壓范圍（5V 以內(nèi)），所以不會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞。

從 CANScope 軟件主界面的“測(cè)試”選項(xiàng)中“錯(cuò)誤與干擾”進(jìn)入，如圖 13 所示。

圖13 測(cè)試_錯(cuò)誤與干擾

彈出“錯(cuò)誤與干擾”窗口，如圖14所示。

圖 14

如圖14所示，CANScope主要是通過多種干擾方式來對(duì)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行干擾測(cè)試，從而確定該網(wǎng)絡(luò)的魯棒性，干擾方式包括：

• 自定義發(fā)送波特率：以錯(cuò)誤的波特率發(fā)送數(shù)據(jù)，驗(yàn)證被測(cè)節(jié)點(diǎn)或者系統(tǒng)是否能 自恢復(fù)（注意啟用后需要在報(bào)文界面點(diǎn)擊發(fā)送報(bào)文） ；
  

• 啟用發(fā)送錯(cuò)誤幀：在發(fā)送或者接收 CAN 幀的特定位置產(chǎn)生填充錯(cuò)誤或者位錯(cuò) 誤，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤幀（注意啟用后需要在報(bào)文界面點(diǎn)擊發(fā)送報(bào)文） ；
  

• 啟用發(fā)送干擾：對(duì)由 CANScope 發(fā)送的報(bào)文進(jìn)行干擾，導(dǎo)致被測(cè)的接收節(jié)點(diǎn) 由于接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器達(dá)到 255，而進(jìn)入總線關(guān)閉（注意啟用后需要在報(bào)文界面 點(diǎn)擊發(fā)送報(bào)文） ；
  

• 啟用接收干擾：對(duì) CANScope 接收的報(bào)文進(jìn)行干擾，導(dǎo)致被測(cè)的發(fā)送節(jié)點(diǎn)由 于發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器達(dá)到 255，而進(jìn)入總線關(guān)閉。

② CAN總線一致性測(cè)試

隨著新能源、智能網(wǎng)聯(lián)等概念發(fā)展，新能源CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)高達(dá)50個(gè)，車身CAN總線環(huán)境變得復(fù)雜及紊亂，CAN節(jié)點(diǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定給主機(jī)廠安全性帶來極大威脅。所以主機(jī)廠和零部件廠對(duì)于CAN總線的一致性要求越來越高，出廠前都要進(jìn)行一致性測(cè)試。

圖15 CANDT一致性測(cè)試系統(tǒng)

如圖15所示是我司的CANDT一致性測(cè)試系統(tǒng)，CANDT是基于CANScope強(qiáng)大的CAN總線底層測(cè)試分析基礎(chǔ)，配備必要的電壓源、PLC等核心外圍設(shè)備，可自動(dòng)化完成汽車零部件CAN節(jié)點(diǎn)物理層、鏈路層及應(yīng)用層測(cè)試的CAN一致性測(cè)試設(shè)備。物理層測(cè)試的目的是驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)及測(cè)試系統(tǒng)在電路設(shè)計(jì)、物理電平特性等方面的性能，就是保證節(jié)點(diǎn)能夠正確連入總線的基礎(chǔ)，其測(cè)試內(nèi)容包括電阻電容特性、節(jié)點(diǎn)差分電阻、故障容錯(cuò)測(cè)試、CAN線上的物理電平特性等等。數(shù)據(jù)鏈路層的測(cè)試目的是保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通訊參數(shù)能夠保持一致性，所組成的網(wǎng)絡(luò)能夠正常有效的工作，內(nèi)容包括位定時(shí)測(cè)試、采樣點(diǎn)測(cè)試、SJW測(cè)試等等。

如圖16所示，CAN一致性測(cè)試系統(tǒng)以ISO11898標(biāo)準(zhǔn)為核心，圍繞國內(nèi)主流新能源主機(jī)廠CAN總線測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為主要依據(jù)，測(cè)試功能滿足物理層、鏈路層、應(yīng)用層的測(cè)試需求。

圖16 CANDT一致性測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試項(xiàng)目

05

總結(jié)

對(duì)于CAN總線報(bào)文錯(cuò)誤來說，百分之90的錯(cuò)誤都來自于物理層，而CANScope總線分析儀可以對(duì)CAN 波形與報(bào)文同步發(fā)送和接收，快速對(duì)CAN總線進(jìn)行各項(xiàng)測(cè)試，幫助工程師們快速完成故障定位和問題排查。

來源:東方中科