新能源汽車CAN總線Bus Off處理流程

CAN總線由其高可靠和實時性被廣泛應(yīng)用于新能源汽車、軌道交通、醫(yī)療、工程機械等行業(yè)，本文介紹CAN總線關(guān)閉對新能源汽車的功能和安全性能產(chǎn)生的影響，并針對工程師關(guān)注的問題，提供有效的解決方案。

2020年10月28日全球汽車峰會中展示了未來新能源汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢，未來混動與純電動比例將不斷加大，從而新能源汽車將作為一種新的出行方式出現(xiàn)。目前新能源汽車整車網(wǎng)絡(luò)還是依靠最為成熟的CAN－bus架構(gòu)，工程師們通過CAN總線讀取車上的車速、轉(zhuǎn)速等信號可以控制整車上眾多的ECU單元。但是，你知道CAN總線Bus Off會對新能源汽車的功能帶來哪些影響嗎？本文來做詳細(xì)分析。

為什么新能源汽車行業(yè)離不開CAN總線？

當(dāng)前最成熟的整車架構(gòu)就是CAN總線通信，CAN總線起初是基于BOSCH公司為了解決汽車的電子控制單元增多帶來的布線空間矛盾、汽車重量增加等諸多問題而誕生的。同時，CAN總線將汽車內(nèi)部各電控單元之間連接成一個局域網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了信息的共享，大大減少整車線束，如下圖所示：

新能源汽車整車CAN網(wǎng)絡(luò)

相比于，目前流行的以太網(wǎng)和485總線，CAN總線具有以下的特點：

1.總線訪問——非破壞性仲裁的載波偵聽、多路訪問、沖突避免；

2.多主機廣播式結(jié)構(gòu)，自動優(yōu)先級仲裁，實時性很強；

3.傳輸錯誤自動重發(fā)，自動CRC校驗接收，數(shù)據(jù)出錯率極低；

4.差分信號傳輸抗干擾能力強，適合汽車內(nèi)部強干擾的環(huán)境；

5.硬件報文濾波功能，減輕CPU負(fù)擔(dān)。

基于以上的特點，CAN總線能保證實時可靠的數(shù)據(jù)傳輸，保證汽車整車網(wǎng)絡(luò)的通訊正常，在新能源汽車行業(yè)具有不可替代的地位。整車各零部件都是通過CAN總線通信，但是當(dāng)其中一個節(jié)點通信異常進(jìn)入總線關(guān)閉狀態(tài)，將影響整車CAN網(wǎng)絡(luò)的正常通信。

CAN總線Bus Off原理汽車內(nèi)部掛有很多的ECU節(jié)點，當(dāng)其中一個節(jié)點發(fā)生故障進(jìn)入總線關(guān)閉狀態(tài)時，會很大程度上影響整車CAN網(wǎng)絡(luò)的通訊。例如，當(dāng)汽車發(fā)生碰撞時，傳感器將電信號傳送給安全氣囊ECU，將信號進(jìn)行處理，當(dāng)確定需要打開安全氣囊時，ECU會立即發(fā)出點火信號，氣體發(fā)生器才會充滿氣囊，對駕駛員和乘客提供安全保護，如下圖所示。若此時安全氣囊ECU處于總線關(guān)閉狀態(tài)，則無法正常彈出氣囊，會導(dǎo)致嚴(yán)重后果。

ECU工作示意圖

因此，對于新能源汽車行業(yè)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(shù)據(jù)錯誤（如外部干擾等）還是持續(xù)的數(shù)據(jù)錯誤（如單元內(nèi)部故障、驅(qū)動器故障、斷線、短路等）。由此，當(dāng)總線上發(fā)生持續(xù)數(shù)據(jù)錯誤時，CAN控制器內(nèi)部的錯誤計數(shù)器累積到總線關(guān)閉的閥值，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(jié)點的網(wǎng)絡(luò)通信。如下圖所示：

錯誤檢測機制

哪些因素會導(dǎo)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(chǎn)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(fā)器等元器件故障導(dǎo)致。同時，也有可能是由于CAN總線信號干擾導(dǎo)致的CAN信號收發(fā)不正確，嚴(yán)重時會導(dǎo)致不能正常發(fā)送報文，從而更容易導(dǎo)致CAN總線關(guān)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(qū)動車輛。逆變產(chǎn)生的巨大電流形成強干擾，串?dāng)_到CAN總線上，導(dǎo)致控制器死機、損壞或者通訊中斷，車輛運行不穩(wěn)定。

CAN總線Bus Off恢復(fù)的五大解決方案

如果出現(xiàn)了Bus Off，總線上的節(jié)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B(yǎng)us Off的根源。

當(dāng)發(fā)生CAN總線關(guān)閉時，我們可以檢查Bus Off寄存器的值，對CAN控制器的驅(qū)動及相關(guān)寄存器進(jìn)行初始化操作。初始化完成后，CAN總線關(guān)閉故障就會立即解除。為了避免該節(jié)點在CAN網(wǎng)絡(luò)中頻繁發(fā)生總線關(guān)閉問題，建議在初始化后，不要立即對外發(fā)送CAN報文。

上文也提到過，由于汽車內(nèi)部存在強干擾，也會導(dǎo)致CAN總線關(guān)閉。針對這種現(xiàn)象，我們通過以下方式進(jìn)行處理：

由于汽車內(nèi)部存在強電流產(chǎn)生的空間磁干擾，應(yīng)該將CAN線纜雙絞程度加大；

CAN接口設(shè)計采用CTM1051隔離收發(fā)器、隔離限幅，防止ECU死機；

CAN接口增加磁環(huán)、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(wǎng)橋中繼設(shè)備CANBridge對部分強干擾源進(jìn)行隔離。

綜合上述，汽車CAN總線關(guān)閉故障發(fā)生時，應(yīng)分析物理層包括CAN線路、CAN控制器及收發(fā)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(qū)動和恢復(fù)正常后，定時嘗試往外發(fā)送報文。

CAN總線排查利器—CANDTU系列

新能源汽車在發(fā)送總線關(guān)閉情況時，我們也希望能夠有對應(yīng)的CAN報文去分析，尤其是針對偶發(fā)性的故障時，我們更需要有可靠的CAN報文來作為判斷依據(jù)。

ZLG致遠(yuǎn)電子推出CAN網(wǎng)絡(luò)總線“黑匣子”，我們稱之為CANDTU，如圖4所示，CANDTU集成有2路或4路符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)的獨立CAN－bus通道，并可標(biāo)配存儲介質(zhì)為32G高速SD卡，可以進(jìn)行長時間記錄、條件記錄、預(yù)觸發(fā)記錄和定時記錄等多種模式，并可以將記錄的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CSV格式，或者CANOE、CANScope等各種主流分析軟件的格式供后期處理分析。

最新升級的CANFDDTU系列產(chǎn)品可實現(xiàn)車載多總線的實時記錄，可長時間記錄CAN、CAN FD、車載以太網(wǎng)和LIN總線的報文數(shù)據(jù)，同時可上傳到CAN智慧云平臺，在云平臺上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和可視化分析，方便工程師事后快速定位故障問題。