1、汽车CAN 总线 的结 构 原理 与诊 断分析 【 摘要 】 CAN 总线 （Controller Area Network，即控 制 器局 域网 ）是汽 车产 业发展 的一 门新 兴技术 ，可有 效简 化车辆 电气线 路、 节约 成本 、提 高车辆 的可靠 性。 本文 以CB311 AT 系列 车（ 以下 简 称“CB311”） 采用 的动力 型 线形CAN 总线 为例， 介绍 了CAN 总线 的总 体结 构、 数据传 输信号 特征 及 故障的 诊断 分析 方法 。 【 关键词 】 CAN 总线 故障诊断 分析 1 前言 随着经济社会的发展和人 类文明的进步，人们对汽 车的安全性、舒适性、尾
2、 气排放及燃油经济 性的要求越来越严格，汽 车上的电子控制系统越来 越多，在为人们带来安 全、 方便、舒适的同时， 却使车内线束增多、运行 可靠性降低、故障维修难 度增大。为了简化线路， 提高各电子控制系统之 间的通 信速 度， 降低 故障 频率，CAN 总 线应 运而 生。 CAN 总线是由德国Bosch 公司首先制订推出的针对汽车电子控制领域的总线式串行数据通讯网 络。CAN总线可分为动力型 （高速）、舒适型（低速 ）、信息娱乐型（低速） ；CAN总线的网络拓扑 结构主 要有 线形 结构 、星 形结构 、环 形结 构。 2 CAN 总线的 总 体结构 CAN总线 由CAN 控制 器、CAN
3、 收发器 、 数 据传 输线、 数 据传输 终端 等组成。CB311 的ECU （发 动机 控 制单元 ） 、TCU （ 变速 器控制 单 元） 、PEPS （无 钥匙进 入 和无 钥匙 启动 系统） 、 组合 仪表 四个 电控 单 元通过CAN 总 线连 接，CAN控制器 、CAN 收 发器 均 集成在 电 控单 元中。CB311 CAN总线的 结构 如图1所示 。 图1 CB311 CAN 总线的总 体结构 2.1 CAN 控制器 CAN控制器集成在电控单元 内部，接收由控制单元微 处理器传来的数据。CAN控 制器对这些数据 进行处理并将其传递给CAN 收发器；同样CAN控制器也 接收收发
4、器传来的数据， 处理后传递给控制单 元微处 理器 。 2.2 CAN 收发器 CAN收发器集成在电控单元 内部，同时兼具接收、发送 和转化数据信号的功能 。它将CAN控制器 发送来的电平信号数据转 化为电压信号并通过数据 传输线以广播方式发送出 去。同时，它接收数据 传输线 发送 来的 电压 信号 并将电 压信 号转 化为 电平 信号数据 后， 发送 到CAN 控 制器。 2.3 数据传输线 为了减 少干 扰，CAN 总线 的 数据传 输线 采用 双绞 线， 其绞距 为20mm， 截面积 为0.5mm 2 ， 称这 两根 线为CAN-高线 (CAN-H）和CAN-低线 (CAN-L ） ，如
5、图2所示 。 两根 线上 传输 的数 据相同 ， 电压 值互 成 镜像，这样，两根线的电 压差保持一个常值，所产 生的电磁场效应也会由于 极性相反而互相抵消。 通过该 方法 ， 数据 传输 线 可免受 外界 辐射 的干 扰 ； 同 时， 向外 辐射 时， 实际 上保 持 中性 （ 即无 辐射 ） 。 图2 CAN 总线数据传输 线 2.4 数据传输终端 数据传输终端是一个电阻 器，阻止数据在传输终了 被反射回来破坏数据，一 般数据传输终端为 120 的 电阻 。CB311 的数 据传输 终端 为两 个120 的电 阻 ，分 别集 成在ECU 和组合 仪 表中 。 3 CAN 总线的 数 据传输
6、 信号 特征 CAN总线 控制 单元 中传递 的 数据是 二进 制格 式的 电平 信号， 数据 的每 一位 只有0 或1两个 值，其 中 0表示显性状态，1表示隐 性状态。CAN总线数据传输 线中传输的是电压信号， 在隐性状态，CAN-H和 CAN-L 的 对地 电压 均为2.5V 左右， 此时CAN 总线 未通 讯； 在显 性状 态， CAN-H的对地 电 压升 至3.5V 左 右， CAN-L 的对 地电 压降 至为1.5V 左 右， 此时CAN 总线 在通讯 。 控制单 元是 通过CAN 收发 器 联接到CAN 总线 上的 ， 在CAN 收发器 内部 的接 收器 一侧 设有差 动信 号放
7、 大器 ， 用来 处理 来自CAN-H 导线和CAN-L导线 的电压 信号 。 差动信 号放 大器 在处 理信号 时， 会用CAN-H 导线上 的电 压减 去CAN-L 导 线上的 电 压， 根据 电压 差确 定电平 信号 ， 处理 后的 电平 信号只 有0 和1两位 。 在显性状 态时， 数据传 输 线中CAN-H 的电 压为VH=3.5V, CAN-L 的电 压为VL=1.5V, 电压差VD=VH-VL=2V， 输出的 电 平信 号为0； 在隐 性状态 时， 数据 传输 线中CAN-H的电 压为VH=2.5V, CAN-L的电 压为VL=2.5V, 电 压差VD=VH-VL=0V ， 输出
8、的 电平 信号 为1 ，数 据信号 的 处理 过程 如图3所 示。CAN 收 发器通 过CAN 控制 器将差 动信 号放 大器 处理 后的电平 信 号发 送到 控制 单元。 图3 CAN 数据总线 的信号 处理过程 4 CAN 总线的故 障诊断 对于车辆CAN总线的故障， 应根据CAN总线的具体结构 和控制回路具体分析。一 般来说，引起汽 车CAN 总线 故障 的原 因主 要 有汽车 电源 系统 （电 压超 出正常 范围 ） 引 起的 故障 、 电 控单元 本 身的 硬件 或软件 出现 问题 引起 的故 障 （无 法维 修） 、 汽车CAN总线的 通讯 线路 出现 故障 ， 本文 只讨 论第
9、三种 情 况。 CAN总线 通讯 线路的 故障形 式主要 有CAN-H 和CAN-L 短 路、CAN-H 对正 极短路、CAN-H 对 地短路 、 CAN-H断路、CAN-L对正极 短路、CAN-L对地短路、CAN-L断路共七种故障。判断 是否有线路故障时， 可以用数字万用表测量终 端电阻的阻值是否正常， 如果条件允许，最好采用 示波器来分析通讯数据 信号是 否与 标准 通讯 数据 信号相 符。 因动力 型CAN 总线 、 舒适 型CAN总线 和信 息娱 乐型CAN 总线的 结构 不同， 在诊 断 方法和 波形 显 示上 有很大 区别 ，限于 篇幅 ，本文只 讨论CB311采用 的动力 型CA
10、N 总线 的诊 断方 法和诊 断 结果 分析 。 4.1 通过测量终端电阻判 断总线故障 4.1.1 测量步骤 a) 关 闭点 火锁 ，断 掉蓄 电 池电源5分钟 ，直 到所 有的用电设 备充分 放电 。 b) 将数字万用表打到200 电阻档，测量车辆标准 诊断接口的14号针脚（CAN-L线）与6号针脚 （CAN-H线） 之间 的电 阻值。 c) 将 一个 带有 终端 电阻 的 控制单 元拔 下， 检测 总的 阻值是 否发 生变 化。 d) 把该 控制 单元 插好， 再将 第 二个 带有 终端 电阻 的控 制 单元 拔下， 检测 总的 阻值 是 否发 生变化。 4.1.2 测量结果分析 带有终
11、 端电 阻的 两个 控制 单元 （ECU 和组 合仪 表） 是相 连 的， 因此 两个 终端 电阻 是 并联 的， 当测 量的结 果为 每一 个终 端电 阻的阻 值大 约为120 ， 而 总的阻 值为60时 ， 可以判 定 终端 电阻 的连 接是 正常的 。 下面 详细 说明 通过 阻 值测 量结 果来 判定CAN总线通 讯线 路的 几种 故障 情况。 a) 测量 电阻 值为 无穷 大，说 明CAN总线 到标 准诊 断接口 的 线路 上有 断路 情况 。 b) 测量 电阻 值接 近120 欧姆 ， 说明CAN 线上 有断 路情况 。 c) 测量 电阻 值为0欧姆 导通 ， 说明CAN 线的CA
12、N-H与CANL 线 之间 有短 路的 情况。 d) 测量电阻值为60欧姆， 则应继续测CAN-H对地的电 阻值和CANL对地的电阻 值。哪个电阻值 是0欧姆 说明 此线 与地 短路。 4.2 通过波形分析CAN 总线 故障 运用双通 道示 波器 通道DSO1 的红 色测 量端 子 （正 极） 接CAN-H线（ 车辆 标准 诊断 接口的6号 针脚） ， 通道DSO2的红 色测 量端 子接CAN-L线（ 车辆 标准 诊断接 口 的14号 针脚 ） ， 且二 者的黑 色测 量端 子同 时 接地（诊断口4号针脚）， 如图4所示。这样可以同时 测量CAN-H和CAN-L的波形 ，在同一界面下同时 显示
13、CAN-H 和CAN-L的 同步 波形， 能很 直观 的分 析系 统出现 哪些 问题 。 图4 示波 器连接 示意图 4.2.1 正常情况下的标准 波形 在CAN 总线 上， 数据 信息 的 传递是 通过 两个 二进 制逻 辑状态0 （显 性） 和1 （ 隐 性） 来实 现的， 每 个逻辑状态都对应于相应的电压值。控制单元利用CAN-H 和CAN-L 两条线上的电压差来确认数据。 CB311 CAN 总 线的 标准 波形如 图5 所示 ， 黄色 波形 为CAN-H的 电 压信 号， 其 中 为显 性 电压， 约为3.5V， 为 隐性 电压， 约为2.5V； 绿色波 形为CAN 低的 信号 ，
14、其 中 为 隐性 电压， 约为2.5V， 为显 性电 压， 约为1.5V。 图5 CAN 总线标准 波形 4.2.2 CAN-H和CAN-L短路 CAN-H 与CAN-L之间 短路 时，CAN-H与CAN-L 的电 压置 于隐性 电压 ，均 为2.5V左右 ， 如图6 所 示。 图6 CAN-H 与CAN-L 短路 4.2.3 CAN-H对正极短路 CAN-H 对 蓄电 池正 极短 路时，CAN-H的电 压为12V ，CAN-L的 隐性 电压 接近12V ，如图7所示 。 图7 CAN-H 对正极短路 4.2.4 CAN-H对地短路 CAN-H对地短路时，CAN-H 的电压为0V，CAN-L的
15、电压 也接近0V，但在CAN-L上还 有一个很小的电 压，如 图8 所 示。 1 2 3 4 图8 CAN-H 对地短路 4.2.5 CAN-H断路 CAN-H 波 形变 化范 围很 大且杂 乱 无章 （可 能有 其他 控制单 元 的信 号窜 入） ， 如图9 所示。 发生CAN-H 导线断 路故 障时 ，驱 动CAN总线无 法正 常工 作。 图9 CAN-H 断路 4.2.6 CAN-L对正极短路 CAN-L 对蓄电 池正 极短 路时，CAN-L的电 压为12V ，CAN-H的 电压 接近12V ，如 图10所示。 图10 CAN-L 对正极短路 4.2.7 CAN-L对地短路 CAN-L
16、对地 短路 时，CAN-L 的电压 为0V ，CAN-H 的 隐性电 压 接近0V ， 如图11 所 示。 图11 CAN-L 对地短路 4.2.8 CAN-L断路 CAN-L 波 形变 化范 围很 大且杂 乱 无章 （可 能有 其他 控制单 元 的信 号窜 入） ， 如图12 所示。 发生CAN-L 导线断 路故 障时 ，驱 动CAN总线无 法正 常工 作。 图12 CAN-L 断路 5 CAN 总线的维 修 5.1 CAN 总线 数据 双绞 线的绞 合 方 式不 能改 变， 即不 能用平 行的 两条 线来 代替 双绞线 ； 并 且双 绞 线的节 距长 度（20mm ）也 不能改 变。 5.
17、2 修理 时不 能有 大于50mm 的双绞 线线段 不绞 合。 5.3 修理 点之 间的 距离 至少 要 相隔100mm ， 以避 免干扰 。 5.4 CAN总线 通讯 双绞 线的长 度 尽量 不要 超过5m ，否 则导线 所传 输的 脉冲 信号 会失真 。 6 结 束语 在欧美 、 日 本等 一些 汽车 产业发 达的 地区 和国 家，汽 车CAN 总线 技术 发展 非常成 熟， 已 基本 形成 了软硬 件的 统一 标准 。 就 中国汽 车行 业而 言，CAN 总 线是一 项朝 阳产 业， 有着 无限的 前景 ， 而 对汽 车 CAN总线 系统 的维 修诊 断也将 成 为汽 车维 修从 业人 员的 一 项基 本技 能。 参考文 献 1 罗峰 ，孙 泽昌 汽车CAN 总线 系统 原理 、设计 与应用.北京 ：电 子工 业出 版社，2010 2 朱双 华，王随 平 汽车控 制 器局 域网 的波 形检 测法.汽车 电器 ，2007 （11 ）：56-58
