CAN總線在新能源汽車中的通信網絡設計及應用分析

從事汽車相關行業(yè)的小伙伴們，都知道CAN總線，它是當今汽車各電控單元之間通信的總線標準，現在幾乎所有的汽車廠家都選擇使用CAN總線通信。CAN總線起初便是基于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總線將汽車內部各電控單元之間連接成一個局域網絡，實現了信息的共享，大大減少了汽車的線束。

相比于，目前流行的以太網和485總線，CAN總線具有以下的特點：總線訪問——非破壞性仲裁的載波偵聽、多路訪問、沖突避免；多主機廣播式結構，自動優(yōu)先級仲裁，實時性很強；傳輸錯誤自動重發(fā)，自動CRC校驗接收，數據出錯率極低；差分信號傳輸抗干擾能力強，適合汽車內部強干擾的環(huán)境；硬件報文濾波功能，減輕CPU負擔。

基于以上的特點，CAN總線能保證實時可靠的數據傳輸，保證汽車整車網絡的通訊正常，在新能源汽車行業(yè)具有不可替代的地位。

汽車內部掛有很多的ECU節(jié)點，當其中一個節(jié)點發(fā)生故障進入總線關閉狀態(tài)時，會很大程度上影響整車CAN網絡的通訊。例如，當汽車發(fā)生碰撞時，傳感器將電信號傳送給安全氣囊ECU，將信號進行處理，當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。若此時安全氣囊ECU處于總線關閉狀態(tài)，則無法正常彈出氣囊，會導致嚴重后果。

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(xù)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(fā)生持續(xù)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)點的網絡通信。

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(fā)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(fā)不正確，嚴重時會導致不能正常發(fā)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(wěn)定。

如果出現了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。

當發(fā)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(jié)點在CAN網絡中頻繁發(fā)生總線關閉問題，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(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(fā)生時，應分析物理層包括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驅動和恢復正常后，定時嘗試往外發(fā)送報文。新能源汽車在發(fā)送總線關閉情況時，我們也希望能夠有對應的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。

廣州致遠電子有限公司推出CAN網絡總線“黑匣子”，我們稱之為CANDTU，CANDTU集成有2路或4路符合ISO11898標準的獨立CAN－bus通道，并可標配存儲介質為32G高速SD卡，可以進行長時間記錄、條件記錄、預觸發(fā)記錄和定時記錄等多種模式，并可以將記錄的數據轉換為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。

CANDTU可以長時間記錄CAN報文，以便于工程師查找數據，但是對于網絡穩(wěn)定性和偶發(fā)性故障無法進行定位和分析。