CAN总线的故障定位与干扰排除

智能汽车电子与软件 2024-05-08 17:01

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CAN总线通讯是我们每天都会使用的工业通讯总线，工程师经常会遇到各种由于CAN总线通讯异常导致的问题。这篇文章将会带您了解怎么进行新能源汽车CAN总线的故障定位与干扰排除。

新能源汽车的未来发展

现在大数据、物联网、智能家居等概念已经渗透进了千家万户，也渗透到了汽车工业的未来，典型例子就是汽车的自动化驾驶。

▲ 图1 车辆内通讯量随年份变化表

如图1所示，随着车辆实现的功能逐渐增多，整车的网络也越来越复杂，需要进行的通讯量也随着暴涨。为了面对数据传输量的暴增，未来新能源汽车将会逐步从现在有的CAN总线通讯逐步升级到CAN FD，来应对该变化。

CAN总线故障定位

CAN总线的故障问题绝大多数都是由于物理层传输出现问题导致的，所以为了对CAN总线故障定位，就需要对CAN总线的报文进行分析。

▲ 图2 CAN总线异常状态波形图

新能源汽车中常见的问题是干扰问题。如图2所示是使用我司CANScope总线分析仪捕获到的某车辆通讯的波形，在进行CAN总线故障定位时，要根据波形情况来判定异常干扰的原因。

可以看到在CAN_H和CAN_L上均有异常共模信号叠加，所以针对异常共模信号做FFT频谱分析，帮助用户快速定位共模干扰频率。

▲ 图3 FFT分析结果

如图3所示为FFT分析结果，可以看到干扰主要集中在1264KHz附近，证明在该CAN总线网络中有某个节点产生了这个频率的信号，串扰进了CAN总线网络中，导致总线通讯发生异常。

▲ 图4 CAN总线网络示例图

如图4所示为该CAN总线网络的示例图，针对每个节点进行测试后发现该共模干扰频率与逆变器频率吻合，最终确定是由于逆变器信号串扰进入总线导致通讯异常。

干扰排除方法

当我们确定了CAN总线的故障原因以后，需要进行干扰排除，那么下面将介绍常用的抗干扰解决方案。

① 增加隔离模块

干扰不但影响信号，更严重的会导致板子死机或者烧毁，所以接口和电源的隔离是抗干扰的第一步。隔离的主要目的是：避免地回流烧毁电路板和限制干扰的幅度。如图5所示，未隔离时，两个节点的地电位不一致，导致有回流电流，产生共模信号，CAN的抗共模干扰能力是-12~7V，超过这个差值则出现错误，如果共模差超过±36V，烧毁收发器或者电路板。增加CTM隔离模块后，就隔绝了地回流，限制了干扰幅度，增加了总线抗干扰性。

▲ 图5 差分抗干扰示意图

② 增加双绞程度

CAN总线为了提高抗干扰能力，采用CANH和CANL差分传输，达到效果就是遇到干扰后，可以“同上同下”，最后CANH-CANL的差分值保持不变。如图6所示。

▲ 图6 差分抗干扰示意图

CANH和CANL要紧密地绞在一起，通常双绞线只有33绞/米，而在强干扰场合，双绞程度要到45-55绞/米才能达到较好的抗干扰效果。

③ CAN线保证屏蔽效果与正确接地

带屏蔽层的CAN线，可以良好地抵御电场的干扰，等于整个屏蔽层是一个等势体，避免CAN导线受到干扰。如图7所示，为一个标准的屏蔽双绞线，CANH和CANL通过铝箔和无氧铜丝屏蔽网包裹，如图7所示。需要注意的是和与接插件的连接，在连接部分允许有短于25 mm 的电缆不用双绞。较好的CAN屏蔽线带有2层屏蔽层，称为双层屏蔽线，其中内层的CAN_GND是与CAN收发器的地连接，外层的Shield是与外壳大地相连。

▲ 图7 屏蔽双绞线

④ CAN线远离干扰源

远离干扰源是最简单的抗干扰方法，如果CAN线与强电干扰源远离0.5米，干扰就基本影响不到了。可是在实际布线中，经常遇到空间太小而不得不和强电混在一起，如图8所示，为某新能源汽车的驱动系统，CAN线与驱动线混在一起，结果导致干扰很大。只要与CAN并行的驱动线，具备2A/秒的电流变化，就会耦合出强磁场而导致CAN线上出现干扰脉冲。所以CAN线必须要和电流会剧烈变化的线缆远离。比如继电器、电磁阀、逆变器、电机驱动线等。

▲ 图8 布线乱问题

而解决这个问题，只能尽量保证强电与弱电分开捆扎，距离上尽量远离。实在避不开，也要垂直交叉，也不能平行布线。

⑤ 增加磁环或者共模电感

使用抗干扰的磁环，目的就是削弱特定频率的干扰的影响。如图9所示，为增加磁环的效果。CAN差分线缆可以两线一起加，或者单端单独加。

▲ 图9 增加磁环

磁环的效果可以大大削减特定频率的干扰强度，在增加磁环前，需要用CANScope或者示波器FFT快速傅里叶变化功能，测试出最高干扰的频率，然后向磁环厂家定制对应频率的磁环。如图10所示。为增加磁环前和增加磁环后的FFT的结果。可以看出干扰强度明显减小。

▲ 图 10

⑥ 使用CAN网桥

▲ 图 11 CAN网桥抗干扰示意图

通过图11可以看到，波形在经过CAN网桥之前，由于总线电容过大，下降沿变得非常缓，形成了镰刀状，这样就容易导致位采样错误。而经过CAN网桥后，报文波形经过整形后重新发出，可以看到波形整体情况良好，能够保证报文的正常收发。

测试解决方案

这是CAN总线的冰山模型，当前工程师只关注露出水面部分：发送是否正常和协议解析，但是底层还有很多影响的因素，如压力测试，总线延迟等。

▲ 图 12 CAN总线冰山模型

为了保证CAN总线的通讯正常，在研发测试时就需要对其进行多种测试，以增加CAN总线的鲁棒性和一致性，保证通讯正常。

① CAN总线鲁棒性测试

CANScope-Pro 专业版 CAN 分析仪具备施放错误干扰的功能，可以对某个节点或者某个网络进行错误干扰，以验证这个节点或者系统的鲁棒性（可恢复性）。

CANScope 设备所施放的错误干扰均为“数字式”。即当已经配置好的干扰将被激发。特定的干扰脉冲破坏 CAN 报文的位逻辑信号，导致 CAN 控制器识别错误。其能量均为正常的 CAN 电压范围（5V 以内），所以不会导致设备损坏。

从 CANScope 软件主界面的“测试”选项中“错误与干扰”进入，如图 13 所示。

▲ 图13 测试_错误与干扰

弹出“错误与干扰”窗口，如图14所示。

▲ 图 14

如图14所示，CANScope主要是通过多种干扰方式来对被测网络进行干扰测试，从而确定该网络的鲁棒性，干扰方式包括：

自定义发送波特率：以错误的波特率发送数据，验证被测节点或者系统是否能自恢复（注意启用后需要在报文界面点击发送报文）；
启用发送错误帧：在发送或者接收 CAN 帧的特定位置产生填充错误或者位错误，从而导致错误帧（注意启用后需要在报文界面点击发送报文）；
启用发送干扰：对由 CANScope 发送的报文进行干扰，导致被测的接收节点由于接收错误计数器达到 255，而进入总线关闭（注意启用后需要在报文界面点击发送报文）；
启用接收干扰：对 CANScope 接收的报文进行干扰，导致被测的发送节点由于发送错误计数器达到 255，而进入总线关闭。

② CAN总线一致性测试

随着新能源、智能网联等概念发展，新能源CAN网络节点高达50个，车身CAN总线环境变得复杂及紊乱，CAN节点质量不稳定给主机厂安全性带来极大威胁。所以主机厂和零部件厂对于CAN总线的一致性要求越来越高，出厂前都要进行一致性测试。

▲ 图15 CANDT一致性测试系统

如图15所示是我司的CANDT一致性测试系统，CANDT是基于CANScope强大的CAN总线底层测试分析基础，配备必要的电压源、PLC等核心外围设备，可自动化完成汽车零部件CAN节点物理层、链路层及应用层测试的CAN一致性测试设备。物理层测试的目的是验证节点及测试系统在电路设计、物理电平特性等方面的性能，就是保证节点能够正确连入总线的基础，其测试内容包括电阻电容特性、节点差分电阻、故障容错测试、CAN线上的物理电平特性等等。数据链路层的测试目的是保证每个节点的通讯参数能够保持一致性，所组成的网络能够正常有效的工作，内容包括位定时测试、采样点测试、SJW测试等等。

如图16所示，CAN一致性测试系统以ISO11898标准为核心，围绕国内主流新能源主机厂CAN总线测试标准为主要依据，测试功能满足物理层、链路层、应用层的测试需求。