总线系统故障诊断与排除

【学习目标】

1.能描述车载网络技术的优点与布线方式

2.能描述车载网络技术在汽车上的应用

3.能描述车载网络系统的基本组成

4.能描述CAN、LIN、MOST网络的特点与数据信息传送方式

5.能检测雪佛兰科鲁兹通信总线故障

【工作任务】

一辆雪佛兰科鲁兹汽车在行驶中发现ESP故障灯常亮进厂维修，使用故障诊断仪初步检测后显示故障代码“DTC U007400：控制模块通信总线B断开故障”，维修人员需要在充分分析雪佛兰科鲁兹汽车总体系统工作原理的基础上，合理使用工具、仪器、设备等排除该故障。本任务具体要求如下：

（1）了解车载网络技术在汽车上的应用，识别车载网络系统的总体构成；

（2）了解CAN、LIN、MOST网络的特点与数据信息传送方式；

（3）分析雪佛兰科鲁兹车载网络电路；

（4）诊断与排除雪佛兰科鲁兹车载网络故障。

【相关理论】

一、车载网络技术概述

1.采用车载网络技术的必要性

一方面，随着汽车技术的快速发展，汽车上电控单元的数量越来越多，传统的点到点布线方式使汽车上的导线数量成倍增加，使电气线路的故障率增加，故障查找困难，维修不便。另一方面，随着汽车电子控制装置的大量使用，越来越多的数据信息需要在不同的控制系统中共享，大量的控制信号也需要实时交换，以提高系统资源利用率和工作可靠性。为了简化线路，提高信息传输的速度和可靠性，降低故障率，车载网络技术应运而生，即一辆汽车不管有多少个控制单元，每个电控单元都只需引出两条线共同接在两个节点上，这两条导线就称为数据总线。

2.车载网络技术的优点

汽车上采用车载网络技术具有以下优点：1）可减少线束尺寸和质量、降低成本、减少插接器的数量，可以大大简化汽车上的线束；2）可以进行设备之间的通信，丰富功能；3）通过信息共享，可以减少传感器信号的重复数量；4）通过系统软件即可实现控制系统功能的变化和系统的升级；5）可为诊断提供通用接口，利用多功能测试仪对数据进行测试与诊断，便于维护和故障检修。

3.车载网络技术布线方式

车载网络技术布线方法分为常规方法布线和总线方式布线两种，如图2-4-1所示。

图2-4-1　车载网络系统布线方法　（a）常规布线；（b）CAN总线布线

4.车载网络技术在汽车上的应用

车载网络技术主要用于动力与传动系统、车身系统、安全系统和信息系统，如图2-4-2所示。

图2-4-2　车载网络技术的应用等级

1.动力与传动系统

动力与传动系统网络将发动机舱内的电控单元连接起来，实现诸如车辆行驶、停车及转弯等功能，采用高速网络。动力CAN数据总线连接3个电控单元，即发动机电控单元、ABS电控单元及自动变速器电控单元，可同时传递10组数据（发动机电控单元5组、ABS电控单元3组和自动变速器电控单元2组）。数据总线以500kbit/s的速率传递数据，每一数据组的传递大约0.25ms，每一电控单元每隔7～20ms发送一次数据。数据传递的顺序为：ABS控制单元→发动机电控单元→自动变速器电控单元。

2.安全系统

由于安全气囊系统需要根据多个传感器的信息进行工作，因此，使用的节点数会较多。为此要求系统成本低、通信速度快，且通信可靠性高。

3.车身系统

舒适CAN数据总线连接5个电控单元，包括中央电控单元及4个车门电控单元，实现中央门锁、电动车窗、照明开关、后视镜加热及自诊断5种控制功能。电控单元的各条传输线以星状形式汇聚一点，如果一个电控单元发生故障，则其他电控单元仍可发送各自的数据。舒适CAN数据以62.5kbit/s的速率传递数据，每一组数据传递约需要1ms，每个电控单元每隔20ms发送一次数据。传送顺序为：中央电控单元、驾驶员侧车门电控单元、前排乘客侧车门电控单元、左后车门电控单元、右后车门电控单元。

4.信息（娱乐）系统

信息（娱乐）系统通信总线应具有容量大、通信速度高等特点，因此，采用光纤进行通信。

二、车载网络系统的总体构成

车载网络系统主要由模块、数据总线、网络、架构、通信协议、网关等组成。

1.模块

模块是探测信号和（或）进行信号处理的电子装置，如传感器、芯片等。

2.数据总线

数据总线是用来传输信号的导线，即信息传输的“高速公路”。数据总线的速度通常用比特率来表示。比特率是每秒千字节（kbit/s），数据总线幅宽影响传输的速度，32位的数据传输量要比8位快4倍。高速数据总线及网络容易产生电磁干扰，这种电磁干扰会导致数据传输出错。目前常用的解决方法是使用双绞线。

3.网络

网络是指各模块在物理上的连接关系，有星形、总线形、环形、树形混合形和网形等，如图2-4-3所示。

图2-4-3　网络的形状　（a）星形；（b）总线形；（c）环形；（d）树形；（e）混合形；（f）网形

4.架构

架构——信息高速公路的配置，其输入和输出端规定了什么信息能进和什么信息能出，架构通常包括1～2条线路，采用双线时数据的传输是基于两条线的电压差。当其中的1条传输数据时，它对地有个参考电压。数据总线及网络架构的其他重要特征包括：能一起工作的模块数量；可扩展性，无需大的改动就可增加新的模块；互交信息的种类；数据传输速度；可靠性或容错性——抗故障性及数据交换的稳定与准确性；成本。架构要有特定的通信协议。

5.通信协议

通信协议犹如交通规则，包括“交通标志”的制定方法。通信协议的标准蕴含唤醒访问和握手。唤醒访问就是一个给模块的信号，这个模块为了节电而处于休眠状态。握手就是模块间的相互确认兼容并处在工作状态。通信协议本身取决于车辆要传输多少数据，要用多少模块；数据总线的传输速度要多快，大多数通信协议（以及使用它们的数据总线和网络）都是专用的。

6.网关

因为汽车上所安装的电控单元对车载网络性能的要求不同，所以车载网络往往分成不同的区域，并且不同区域网络的速率和识别代号不同。如果一个信号要从一个连载网络区域进入另一个车载网络区域，就必须把它的识别信息和速率进行改变，才能让另一个数据总线系统接受，这个任务由网关来完成。

网关是连接异型网络的接口装置，如图2-4-4所示。它综合了桥接器和路由器的功能，汽车网关主要能在OSI参考模型的物理层、数据链路层和应用层上对双方不同的协议进行翻译和解释。也就是说，一个网关必须具备从一个网络协议到另一个协议转换信息的能力，同时具备传输等待时间少、信息丢失或超限差错少以及能处理总线出现的差错等特性。网关的工作流程为：从第一个网络读取所接收的信息、翻译信息和向第二个网络发送信息，如图2-4-5所示。

图2-4-4　展开网络间的网关

图2-4-5　网关的处理程序

三、控制器局域网（CAN）

控制器局域网（Controller Area Network，缩写为CAN）的功能是电控单元通过网络进行数据交换，CAN总线是德国Bosch公司为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一行串行数据通信协议。CAN总线可比作公共汽车，如图2-4-6所示，所以CAN总线也称为CAN—BUS总线，可以同时运输大量乘客。CAN数据总线中的数据传递就你一个电话会议，一个电控单元将数据发送到网络中，其他用户通过网络接收这个数据，对这个“感兴趣”的电控单元就会使用该数据，而其他电控单元则选择忽略。

图2-4-6　CAN总线数据传输示意图

1.CAN数据总线的构成

如图2-4-7所示，CAN总线由安装在电控单元内部的CAN控制器和收发器（在网络中俗称节点），在每个电控单元外部连接的两条数据传递线和整个系统的2个数据传输终端电阻组成。

图2-4-7　CAN数据总线的基本构成

1）CAN控制器。CAN控制器的作用是接收本电控单元内微处理器发出的指令数据，并将数据处理后传送给CAN收发器。

2）CAN收发器。CAN收发器由CAN发送器和CAN接收器组成，其作用是将CAN控制器提供的数据转换成CAN网络信号发送出去，同时，它接收总线数据，并将数据传送给CAN控制器。

3）终端电阻。终端电阻的作用是避免数据在高速传输终了时产生反射波使数据遭到破坏，导致传输失败。

4）CAN数据总线。CAN数据总线是用来传输数据的双绞数据线，它分为高位和低位数据线。数据通过数据总线发送给各电控单元，在发送过程中，为了防止外界电磁干扰和数据传输时对外辐射，CAN数据总线采用了2条数据线绕在一起的方式。在数据传输时2条线的电位是相反的，如一条线上的电压是0V，另一条线上的电压是5V，2条线上的总电压值是常值。通过这种办法，CAN数据总线在信号传输时，信号得到了保护而免受外界电磁场的干扰，同时对外的辐射也保持了中性，即辐射等于零。

2.CAN数据总线传递数据的构成

CAN数据总线传递的数据由多位构成，在数据中，位数的多少由数据域的大小决定，可将其分为开始域、状态域、检查域、数据域、安全域、确认域和结束域等7个部分，如图2-4-8所示。

图2-4-8　CAN数据总线传递数据的构成

1）开始域。开始域标志着数据开始，由1位构成，带有大约5V电压（由系统决定）的1位被送入高位CAN线，带有大约0V电压的1位被送入低位CAN线。

2）状态域。状态域用于判定数据中的优先权，由11位构成。如果2个电控单元都要同时发送各自的数据，那么具有较高优先权的电控单元优先发送。

3）检查域。检查域用来显示在数据域中所包含的信息项目数，由6位构成。

4）数据域。传给其他电控单元的信息，最大由64位构成。

5）安全域。检测传递数据中的错误，由16位构成。

6）确认域。确认域由2位构成。在此，CAN接收器发出信号通知CAN发送器，CAN接收器已经正确接收到数据。如果检查到错误，CAN接收器立即通知CAN发送器，CAN发送器然后再发送一次数据。

7）结束域。结束域由7位构成，标志数据列的结束。

3.CAN数据总线的数据传递过程

CAN数据总线并没有指定的数据接收者，数据在CAN数据总线传输过程中，可以被所有电控单元接收和计算。CAN数据总结线数据传递过程如图2-4-9所示。

图2-4-9　CAN数据总线的数据传递过程

1）提供数据。电控单元的微处理器向CAN控制器提供需要发送的数据。

2）发送数据。CAN收发器接收由CAN控制器传过来的数据，转为CAN网络信号并传送到CAN数据总线上。

3）接收数据。所有与CAN数据总线一起构成网络的电控单元转为接收器，从CAN数据总线上接收数据。

4）检查数据。电控单元检查判断所接收的数据是否所需要的数据。

5）接收数据。如所接收的数据重要，该数据将被微处理器接受并进行处理，否则，忽略接收来的数据。

4.CAN数据总线故障诊断的步骤

1）了解该车型车载网络系统特点（包括传输介质、几种子网及车载网络系统的结构形式等），并画出车载网络系统的网络构成图。

2）了解车载网络系统的功能，如有无唤醒功能和休眠功能等。

3）检查汽车电源系统是否存在故障，如交流发动机的输出波形是否正常（若不正常，将导致信号干扰等故障）等。

4）检查车载网络系统的链路是否存在故障，采用示波器检测链路的信号波形进行判断。

5）如果是节点故障，只能采用替换法进行检测。

四、局部连接网络（LIN）

局部连接网络LIN（Local Interconnect Network）是一个汽车底层网络协议，在汽车网络层次结构中作为低端网络的通用协议，并逐渐取代目前各种各样的低端总线系统。LIN局部连接网络典型的应用是车上传感器和执行器的联网。

1.LIN数据总线的结构

如图2-4-10所示，LIN网络由一个主节点（也称局部连接网络指令器控制单元）和多个节点（也称局部连接网络执行器控制单元）构成，主节点可以执行主任务，也可以执行从任务，从节点只能执行从任务。总线上的信息传送由主节点控制。

图2-4-10　LIN（局部连接网络）数据总线系统的网络结构

在LIN数据总线中，主节点（局部连接网络指令器控制单元）与CAN数据总线相连接，它用来控制数据传输和数据传输速度，执行LIN数据总线系统控制单元和CAN数据总线之间的转发功能。从节点（局部连接网络执行器控制单元）作用LIN数据总线系统中每个单独的控制单元，只能在LIN数据总线系统内发挥作用，它通过LIN数据总线主节点获得任务。与主节点相连接的LIN数据总线系统中的从节点（局部连接网络执行器控制单元）的故障诊断是通过主节点（局部连接网络指令器控制单元）来进行的。

2.LIN总线的数据传递

在LIN网络中，信息以帧为单位传输。每个帧包括3个字节的控制与安全信息以及2个或4个或8个字节的数据，如图2-4-11所示，每个信息帧由主节点发出和一个13位显性（低电平）起始域开始，之后主节点接着发送同步域和标识符域（主任务）；从节点发回数据域和校验域（从任务）。受单线传输媒体电磁干扰的限制，LIN数据总线最大位位流传输速度为29kb/s；另一方面，为了避免与实际系统定时溢出时间发生冲突，最小位流传输速度限定为1kb/s。

图2-4-11　信息帧传送格式

在LIN数据总线系统中，除了主节点命名外，节点不使用任何系统结构方面的信息，这使LIN数据总线具有很多相关的优点。在LIN数据总线系统中，加入新节点时，不需要其他从节点作任何软件或硬件的改动。LIN和CAN一样，传送的信息带有一个标识符，它给出的是这个信息的意义或特征，而不是这个信息传送的地址。

LIN数据总线系统的电气性能对网络结构有很大的影响。网络节点的数量不仅受标识符长度的限制，而且受总线物理特性的限制。在LIN数据总线中，建议节点数不要超过16个，否则网络阻抗会降低，在最坏工作情况下会发生通信故障。LIN数据总线系统每增加一个节点使网络阻抗降低大约3%。

五、MOST总线

MOST（Media Oriented Systems Transport，多媒体定向系统传输）是汽车上媒体传送的网络标准。MOST采用塑料光缆（POF）的网络协议，将音响装置、电视、全球定位系统及电话等设备相互连接起来，给用户带来了极大的便利。

1.MOST数据总线的结构

MOST总线系统的显著特点是它的环形结构，如图2-4-12所示。各控制单元之间通过一个环形数据总线连接，该总线只向一个方向传输数据，这意味着一个控制单元总是拥有2根光纤，一根用于发射器，另一根用于接收器。控制单元通过一根光纤将数据传送至环形结构中的下一个控制单元，这个过程一直持续到数据返回至原先传送它们的那个控制单元。因此，形成了一个闭合的环路。MOST总线系统的诊断是借助于数据总线的诊断接口和诊断CAN进行的。

图2-4-12　MOST数据总线的环性结构

2.MOST数据总线的基本特征

1）MOST可以不需要额外的主控计算机系统，结构灵活、性能可靠和易于扩展；

2）MOST以网络光纤作为物理层的传输介质，可以连接视听设备、通信设备以及信息服务设备；

3）MOST网络支持“即插即用”方式，在网络上可以随时添加和去除设备；

4）保证低成本的条件下，达到24.8Mbps数据传输速度；

5）支持多种网络连接方式，无论是否有主控ECU都可以工作；

6）支持声音和压缩图像的实时处理，支持数据的同步和异步传输；

7）MOST利用一根光纤，最多可以同时传送15个频道的CD质量的非压缩音频数据，在一个局域网上，最多可以连接64个节点（装置）。

3.MOST数据总线的数据传输

如图2-4-13所示，为了满足数据传输的各种不同要求，每一个MOST数据总线信息分为3个部分：同步数据——实时传送音频信号、视频信号等流动型数据；异步数据——传送访问网络及访问数据库等的数据包；控制数据——传送控制信号及控制整个网络的依据。

图2-4-13　MOST数据总线的信息组成

【任务准备】

实施本任务的单个工位所使用的设备及工具材料可参考表2-4-1。

表2-4-1　实训设备及工具材料

续　表

【任务实施】

一、安装车辆防护装置

1）安装车轮挡块（或三角木）。注意：车轮挡块的安装位置可以是两个后轮，也可以是呈对角关系的前后轮。

2）安装尾气排放系统，并接通尾气排放系统的电源。

3）取车钥匙，解锁车辆，开车门，安装车内防护五件套（方向盘套、手制动杆套、换挡杆手柄套、座椅套、地板垫），同时检查驻车制动杆处于拉紧位置，换挡杆处于空挡（手动变速器）或P挡（自动变速器）位置。

4）打开发动机舱盖，安装车外防护三件套（左、右翼子板布和前格栅布）。

二、雪佛兰科鲁兹车载网络系统概述

雪佛兰科鲁兹车载网络电路称之为串行数据电路，分为CAN数据总线、MOST数据总线和LIN数据总线3种。

1.CAN数据总线

雪佛兰科鲁兹的CAN数据总线是以车身控制模块为核心进行通信的，按照数据交换速度的不同可分为高速GMLAN和低速GLAN。车身控制模块是网关，其目的是转换GLAN高速总线和GMLAN低速总线之间的在串行数据信息，以在不同模块之间进行通信，网关按照网络传输协议与每个网络交互。

（1）高速GMLAN。

高速GMLAN串行数据网由双绞线组成。一个信号电路识别GMLAN高速信号，而另一个信号电路识别GMLAN低速信号。在数据总线的每端，有一个120Ω的终端电阻器。数据符号（1和0）以500kbit/s的速率按顺序传输。总线上传输的数据都通过GMLAN高速信号电压和GMLAN低速信号电压之间的电压差来表示。当双绞总线静止时，GMLAN高速和GMLAN低速信号电路无法被驱动，这表示为逻辑“1”。此状态下，两个信号电路的电压同为2.5V，电压差约为0V。当传输逻辑“0”时，GMLAN高速信号电路被拉高至大约3.5V，而GMLAN低速电路被拉低至大约1.5V，电压差约为2.0（±0.5）V。

（2）中速GMLAN。

中速GMLAN总线与高速GMLAN总线非常相似，除了其使用的是125kbit/s的较慢的传输速率外，该总线主要用于信息娱乐系统，有时需要在低速GMLAN总线和中速GMLAN总线之间进行通信。这通过将A11收音机作为网关模块来实现。

（3）低速GMLAN。

低速GMLAN总线一般用于由驾驶员控制的功能，与那些动态车辆控制所要求的响应时间相比，这些功能的响应时间较慢。低速GMLAN串行数据网由一条单线、带高压侧驱动的搭铁参考总线组成。在车辆路面操作期间，数据符号（1和0）以33.3kbit/s的正常速率按顺序传输。与高速双线网络不同，单线低速网络在网络的各端不使用终端电阻器。要在总线上传输的数据符号在总线上由不同的电压信号表示。当低速GMLAN总线静止且未被驱动时，存在约0.2V的低信号电压，这表示逻辑“1”。当传输逻辑“0”时，该信号电压被驱动升高至约4.o V或更高。

2.MOST数据总线

MOST总线以环路的形式进行配置，总线上的每个设备以设定的顺序发送和接收指定MOST地址上的数据。MOST总线上的每个设备必须有双绞铜线（2条发送TX线路、2条接收RX线路和1条电子控制线路（12V唤醒信号线路））。A11收音机是MOST主设备，将监测总线的车辆配置、信息娱乐数据消息和总线上的故障。

3.LIN数据总线

局域互联网（LIN）总线由一条传输速率为10.417kbit/s的单线组成。该模块用于交换主控制模块和其他提供支持功能的智能装置之间的信息。要传输的数据符号（1和0）在通信总线上由不同的电压电平表示。当LIN总线静止且未被驱动时，该信号处于接近电池电压的高压状态，这由逻辑“1”表示。当要传输逻辑“0”时，信号电压被拉低至搭铁（0V）。

三、控制模块通信总线B断开故障检测

1.检测串行数据电路是否对电压短路

1）将点火开关置于“OFF（关闭）”位置，通过底盘高速GMLAN串行数据电路断开一个易于接近的装置的线束连接器。打开点火开关，测试确认刚断开的装置连接器的各个串行数据电路和搭铁之间的电压高于4.5V。

注意：如果电压不高于4.5V，则将点火开关置于“OFF（关闭）”位置，测试装置各搭铁电路端子和搭铁之间的电阻是否小于10Ω。如果为10Ω或更大，则修理电路中的开路/电阻过大故障；如果小于10Ω，则更换断开的装置。

2）将点火开关置于“OFF（关闭）”位置，在电路对电压短路的方向通过底盘高速GMLAN串行数据电路断开另一个装置的线束连接器。打开点火开关，测试确认刚断开的装置连接器的各个串行数据电路和搭铁之间的电压高于4.5V。

注意：如果电压不高于4.5V，则将点火开关置于“OFF（关闭）”位置，测试装置各搭铁电路端子和搭铁之间的电阻是否小于10Ω。如果为10Ω或更大，则修理电路中的开路/电阻过大故障；如果小于10Ω，则更换断开的装置。

3）重复以上步骤直至检测出有装置或接头组件之间的数据线对电压短路。

2.检测串行数据电路是否对搭铁短路

1）将点火开关置于“OFF（关闭）”位置，关闭所有检修孔盖，停用所有车辆系统，使所有钥匙距离车辆至少3米（9.8英尺），静置车辆2分钟后断开一个易于接近的装置的连接在底盘高速GMLAN串行数据电路中的线束连接器。测试确认刚断开的装置连接器的各个串行数据电路和搭铁之间的电阻不大于100Ω。

注意：如电阻等于或大于100Ω，则更换断开的装置。

2）在电路对搭铁短路的方向通过底盘高速GMLAN串行数据电路断开另一个装置的线束连接器，测试确认刚断开的装置连接器的各个串行数据电路和搭铁之间的电阻小于100Ω。

注意：如电阻等于或大于100Ω，则更换断开的装置。

3）重复步骤2直接检测到装置或线路对搭铁短路为止。

3.检测串行数据电路之间是否存在电路短路现象

1）将点火开关置于“OFF（关闭）”位置，关闭所有检修孔盖，停用所有车辆系统，使所有钥匙距离车辆至少3米（9.8英尺），静置车辆2分钟后断开一个通过底盘高速GMLAN串行数据电路并接近的未通信装置的线束连接器。测试确认刚断开的装置连接器的各对串行数据电路之间的电阻小于110Ω。

注意：如果等于或大于110Ω，则更换断开的装置。

2）连接断开装置的线束连接器，在通过底盘高速GLAN串行数据电路短路的方向断开另一个装置的线束连接器。测试确认刚断开的装置连接器的各对串行数据电路之间的电阻小于110Ω。

注意：如果等于或大于110Ω，则更换断开的装置。

3）重复步骤2，直接找出短路故障点。

4.检测串行数据电路是否开路/电阻过大

1）将点火开关置于“OFF（关闭）”位置，关闭所有检修孔盖，停用所有车辆系统，使所有钥匙距离车辆至少3米（9.8英尺），静置车辆2分钟后断开一个通过底盘高速GMLAN串行数据电路并接近的未通信装置的线束连接器。测试确认刚断开的装置连接器的各元件对串行数据电路之间的电阻大于130Ω。

注意：若电阻小于或等到130Ω，则更换断开的装置。

2）连接断开装置的线束连接器，在通过底盘高速GLAN串行数据电路短路的方向断开另一个装置的线束连接器。测试确认刚断开的装置连接器的各对串行数据电路之间的电阻大于130Ω。

注意：若电阻小于或等到130Ω，则更换断开的装置。

3）重复步骤2，直接找出开路/电阻过大故障点。

【检查评议】

1.考核要求

1）能正确安装车辆防护装置。

2）能正确读取并记录故障码。

3）能准确分析总线系统的故障原因。

4）能正确使用工具、量具。

5）排除总线系统故障过程合理。

2.配分与评分标准

配分与评分标准见表2-4-2。

表2-4-2　配分与评分标准

续　表