CAN總線Bus Off原理

汽車內部掛有很多的ECU節點，當其中一個節點發生故障進入總線關閉狀態時，會很大程度上影響整車CAN網絡的通訊。例如，當汽車發生碰撞時，傳感器將電信號傳送給安全氣囊ECU，將信號進行處理，當確定需要打開安全氣囊時，ECU會立即發出點火信號，氣體發生器才會充滿氣囊，對駕駛員和乘客提供安全保護，如下圖1所示。若此時安全氣囊ECU處于總線關閉狀態，則無法正常彈出氣囊，會導致嚴重后果。

圖1 ECU工作示意圖

因此，對于新能源汽車行業工程師，了解CAN總線Bus Off原理是非常有必要的。CAN控制器可以判斷出錯誤的類型是總線上暫時的數據錯誤（如外部干擾等）還是持續的數據錯誤（如單元內部故障、驅動器故障、斷線、短路等）。由此，當總線上發生持續數據錯誤時，CAN控制器內部的錯誤計數器累積到總線關閉的閾值，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點的網絡通信。如圖2所示：

圖2 錯誤檢測機制

哪些因素會導致CAN總線Bus Off？

引起錯誤的原因大多是由物理故障引起的，主要是CAN線路產生的。其中包括：CAN_H開路、CAN_L開路、CAN_H對CAN_L短路/開路、CAN_L對VBAT短路、CAN_H對GND短路、CAN_L對GND短路、終端電阻開路等。

除了物理層線路因素，還有可能因為CAN控制器或收發器等元器件故障導致。同時，也有可能是由于CAN總線信號干擾導致的CAN信號收發不正確，嚴重時會導致不能正常發送報文，從而更容易導致CAN總線關閉。

例如，新能源汽車通常是指純電動汽車或者混合動力汽車，其特色是使用電池、電容來存儲能力，然后通過逆變的方式變成交流，帶動電動機驅動車輛。逆變產生的巨大電流形成強干擾，串擾到CAN總線上，導致控制器死機、損壞或者通訊中斷，車輛運行不穩定。

CAN總線Bus Off恢復的解決方案

如果出現了Bus Off，總線上的節點需要做一些動作，例如重啟CAN控制器或是重新上電，但是這些都只是一些補救措施，最根本的還是需要找到引起Bus Off的根源。

當發生CAN總線關閉時，我們可以檢查Bus Off寄存器的值，對CAN控制器的驅動及相關寄存器進行初始化操作。初始化完成后，CAN總線關閉故障就會立即解除。為了避免該節點在CAN網絡中頻繁發生總線關閉問題，建議在初始化后，不要立即對外發送CAN報文。

從下圖所示可以看出，當節點進入總線關閉狀態后，如果MCU僅是開啟自動恢復功能，CAN控制器在檢測到128次11個連續的隱性位后即可恢復通信，在實際的CAN通信總線中，這一條件是很容易達到的。我們已經知道，當進入總線關閉狀態時，節點已經發生了嚴重的錯誤，處于不可信狀態，如果迅速恢復參與總線通信，具有較高的風險，因此實際應用中，往往會通過MCU對CAN控制器總線關閉狀態的恢復過程進行編程處理，以控制節點從總線關閉狀態恢復到錯誤主動狀態的等待時間，如圖4所示，具體包括“快恢復”和“慢恢復”策略，兩種策略一般同時應用。

圖3

上文也提到過，由于汽車內部存在強干擾，也會導致CAN總線關閉。針對這種現象，我們通過以下方式進行處理：

• 由于汽車內部存在強電流產生的空間磁干擾，應該將CAN線纜雙絞程度加大；

• CAN接口設計采用CTM1051隔離收發器、隔離限幅，防止ECU死機；

• CAN接口增加磁環、共模電感等效果好的感性防護器件；

• 外接專用的信號保護器消除干擾，如ZF-12Y2；

• 使用網橋中繼設備CANBridge對部分強干擾源進行隔離。

綜合上述，汽車CAN總線關閉故障發生時，應分析物理層包括CAN線路、CAN控制器及收發器、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驅動和恢復正常后，定時嘗試往外發送報文。

來自談思實驗室公眾號