CAN總線的故障定位與干擾排除

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

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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，隨著車輛實現(xiàn)的功能逐漸增多，整車的網(wǎng)絡(luò)也越來越復雜，需要進行的通訊量也隨著暴漲。為了面對數(shù)據(jù)傳輸量的暴增，未來新能源汽車將會逐步從現(xiàn)在有的CAN總線通訊逐步升級到CAN FD，來應對該變化。

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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)問題導致的，所以為了對CAN總線故障定位，就需要對CAN總線的報文進行分析。

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，在進行CAN總線故障定位時，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疊加，所以針對異常共模信號做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)中有某個節(jié)點產(chǎn)生了這個頻率的信號，串擾進了CAN總線網(wǎng)絡(luò)中，導致總線通訊發(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，針對每個節(jié)點進行測試后發(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串擾進入總線導致通訊異常。

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干擾排除方法

當我們確定了CAN總線的故障原因以后，需要進行干擾排除，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，更嚴重的會導致板子死機或者燒毀，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，兩個節(jié)點的地電位不一致，導致有回流電流，產(chǎn)生共模信號，CAN的抗共模干擾能力是-12~7V，超過這個差值則出現(xiàn)錯誤，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，而在強干擾場合，雙絞程度要到45-55絞/米才能達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的干擾，等于整個屏蔽層是一個等勢體，避免CAN導線受到干擾。如圖7所示，為一個標準的屏蔽雙絞線，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線遠離干擾源

遠離干擾源是最簡單的抗干擾方法，如果CAN線與強電干擾源遠離0.5米，干擾就基本影響不到了。可是在實際布線中，經(jīng)常遇到空間太小而不得不和強電混在一起，如圖8所示，為某新能源汽車的驅(qū)動系統(tǒng)，CAN線與驅(qū)動線混在一起，結(jié)果導致干擾很大。只要與CAN并行的驅(qū)動線，具備2A/秒的電流變化，就會耦合出強磁場而導致CAN線上出現(xiàn)干擾脈沖。所以CAN線必須要和電流會劇烈變化的線纜遠離。比如繼電器、電磁閥、逆變器、電機驅(qū)動線等。

圖8 布線亂問題

而解決這個問題，只能盡量保證強電與弱電分開捆扎，距離上盡量遠離。實在避不開，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，測試出最高干擾的頻率，然后向磁環(huán)廠家定制對應頻率的磁環(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，這樣就容易導致位采樣錯誤。而經(jīng)過CAN網(wǎng)橋后，報文波形經(jīng)過整形后重新發(fā)出，可以看到波形整體情況良好，能夠保證報文的正常收發(fā)。

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測試解決方案

這是CAN總線的冰山模型，當前工程師只關(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)測試時就需要對其進行多種測試，以增加CAN總線的魯棒性和一致性，保證通訊正常。

① CAN總線魯棒性測試

CANScope-Pro 專業(yè)版 CAN 分析儀具備施放錯誤干擾的功能，可以對某個節(jié)點或者某 個網(wǎng)絡(luò)進行錯誤干擾，以驗證這個節(jié)點或者系統(tǒng)的魯棒性（可恢復性）。

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

從 CANScope 軟件主界面的“測試”選項中“錯誤與干擾”進入，如圖 13 所示。

圖13 測試_錯誤與干擾

彈出“錯誤與干擾”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被測網(wǎng)絡(luò)進行干擾測試，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：以錯誤的波特率發(fā)送數(shù)據(jù)，驗證被測節(jié)點或者系統(tǒng)是否能 自恢復（注意啟用后需要在報文界面點擊發(fā)送報文） ；
  

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

• 啟用發(fā)送干擾：對由 CANScope 發(fā)送的報文進行干擾，導致被測的接收節(jié)點 由于接收錯誤計數(shù)器達到 255，而進入總線關(guān)閉（注意啟用后需要在報文界面 點擊發(fā)送報文） ；
  

• 啟用接收干擾：對 CANScope 接收的報文進行干擾，導致被測的發(fā)送節(jié)點由 于發(fā)送錯誤計數(shù)器達到 255，而進入總線關(guān)閉。

② CAN總線一致性測試

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)點高達50個，車身CAN總線環(huán)境變得復雜及紊亂，CAN節(jié)點質(zhì)量不穩(wěn)定給主機廠安全性帶來極大威脅。所以主機廠和零部件廠對于CAN總線的一致性要求越來越高，出廠前都要進行一致性測試。

圖15 CANDT一致性測試系統(tǒng)

如圖15所示是我司的CANDT一致性測試系統(tǒng)，CANDT是基于CANScope強大的CAN總線底層測試分析基礎(chǔ)，配備必要的電壓源、PLC等核心外圍設(shè)備，可自動化完成汽車零部件CAN節(jié)點物理層、鏈路層及應用層測試的CAN一致性測試設(shè)備。物理層測試的目的是驗證節(jié)點及測試系統(tǒng)在電路設(shè)計、物理電平特性等方面的性能，就是保證節(jié)點能夠正確連入總線的基礎(chǔ)，其測試內(nèi)容包括電阻電容特性、節(jié)點差分電阻、故障容錯測試、CAN線上的物理電平特性等等。數(shù)據(jù)鏈路層的測試目的是保證每個節(jié)點的通訊參數(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)容包括位定時測試、采樣點測試、SJW測試等等。

如圖16所示，CAN一致性測試系統(tǒng)以ISO11898標準為核心，圍繞國內(nèi)主流新能源主機廠CAN總線測試標準為主要依據(jù)，測試功能滿足物理層、鏈路層、應用層的測試需求。

圖16 CANDT一致性測試系統(tǒng)測試項目

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總結(jié)

對于CAN總線報文錯誤來說，百分之90的錯誤都來自于物理層，而CANScope總線分析儀可以對CAN 波形與報文同步發(fā)送和接收，快速對CAN總線進行各項測試，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