汽车总线技术在公交车辆上的应用及故障分析.docx
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汽车总线技术在公交车辆上的应用及故障分析
汽车总线技术在公交车辆上的应用及故障检测
摘要
随着电控发动机、自动变速箱、电子控制空气悬挂系统、铰接电控系统等各种先进的电子控制技术在大型客车上的应用,使汽车电气形成一个日益庞大、复杂的系统。
在这种情况下,如果仍采用常规的布线方式,即电线一端与开关相接,另一端与用电设备相通,将导致车上电线数目急剧增加。
电控系统的增加虽然提高了客车的动力性、经济性和舒适性,但随之增加的复杂电路也降低了车辆的可靠性,增加了维修的难度。
为了有效整合车内信号传输通路,减少不必要的传输线缆,减少线束、降低成本、优化结构,必须采用一种线束少、信息传输快、可控性强的信息传递系统。
因而,一种新型的信息传递技术汽车总线技术产生了,它可以满足各种电控单元信息共享,目前汽车总线技术已经开始被广泛应用于大型客车及公交车辆上,北京公交采购的公共汽车就是典型代表,借助北京奥运会契机,从2006年开始北京公交采购的新型客车全部采用了汽车总线技术。
本文通过对现阶段汽车采用的总线技术类型及相关特点、优缺点等内容介绍,并着重论述了汽车总线技术在北京公交车辆的应用情况及特点,阐明了汽车总线技术在大型客车上应用的优点,同时对公交车辆上常见的汽车总线故障类别及排除方法进行总结归纳,并通过对典型故障案的例分析介绍了如何进行CAN总线故障检测。
关键词:
汽车、总线技术、公交车辆、优点、故障、排除
一、汽车总线技术介绍
目前获得广泛应用的车用总线系统有CAN(ControllerAreaNetwork)、LIN(LocalInterconnectNetwork)和MOST(MediaOrientedSystemTransport)等总线系统。
1.CAN总线简介
CAN总线全称为“控制器局域网(ControllerAreaNetwork)。
将车上多个控制器(ECU)整合在网络中,由各个计算机分担与分享信息以达成所要实现的功能。
采用CAN-BUS总线技术能大幅缩减电线的使用量,相对地也减少了许多线路上的接点。
CAN总线技术是德国BOSH公司为了解决现代汽车中,众多的电控模块之间的数据传输而开发的一种串行数据总线。
CAN总线的设计充分考虑了汽车的恶劣工作环境,可靠性高。
因此CAN总线在诸多现场总线中独占鳌头,成为汽车总线的代名词。
CAN总线特点:
(1)数据共享,减少了数据重复处理,节约了成本。
(2)简化车身布线。
(3)硬件方案的软件化实现,简化了设计,减少了硬件设计、生产成本。
安全方面得到进一步提高。
(4)由于电脑控制模块的增加,使的整个系统具有强大的故障诊断能力和自动恢复能力。
(5)由于车身布线的优化、减少,线与线之间的信号干扰程度减少,从而使得电脑控制模块得到的信号更加准确、稳定可靠。
CAN总线结构:
CAN总线由收发器(Transceiver)、控制器(Controller)、中央处理器(CPU)和终端电阻组成。
收发器接收总线信号,并监控总线状态,如果总线空闲,把来自控制器的指令发送到总线上去。
控制器负责分析来自于收发器的信号,如果是此控制单元所需要的信号,继续传送进入中央处理器分析计算,反之,过滤此信号。
另外,中央处理器计算出的指令交给控制器,由其将数据交给收发器进一步发送到总线上。
最后,得到了中央处理器的工作任务,处理收到的信号并且发出指令。
2.LIN总线简介
LIN总线是一种串行通讯网络系统,其目的是为汽车总线系统提供一种低成本的应用方案,作为CAN总线的子系统,LIN总线成本低,结构简单,能够实现汽车网络系统功能的有益补充。
总线带宽能够达到20Kbit,具有较强的抗干扰能力。
LIN总线主要工作在对数据传输速率(带宽)要求不高的功能场合下,例如,客门开关、厢灯开关等功能,作为CAN总线的一种有益补充,可以更经济、有效地完成车辆功能。
LIN总线的介质是单线,用高、低电平来表示总线信号(低电平为逻辑“0”,高电平为逻辑“1”)。
LIN总线有一个主控制器和若干个从控制器,主控制器一般为CAN总线的控制单元,通过LIN总线和其他从控制单元连接在一起,采用主-从控制原理进行工作。
3.MOST总线简介
MOST总线用光纤将相关的控制单元连接起来,构成一个环形拓扑结构,控制单元之间采用光信号的方式发送和接收信息,主要的功能是信息和娱乐系统,例如收音机、电视、CD和汽车音响等功能。
由于这些功能都需要处理音频和视频信号,因此需要的数据传输和处理的速度都非常高,MOST的数据传输速度可以达到22Mbit。
MOST总线是环形结构,控制单元都是环上的节点。
MOST总线上每个控制单元从入口光纤导线获得信号,通过接收光电二极管把光信号转化为电信号,并且此电信号继续发送至MOST的收发器,收发器将控制单元所需的信号交由中央控制器(ECU)处理。
另外,中央控制器计算出的指令也交给收发器,由收发器将打包处理完毕的数据交给发送光电二极管,最终由其将数据变成光信号,发送到出口光线上。
二、总线技术在北京公交车辆上应用
目前北京公交车辆上采用的总线技术主要有两种:
CAN总线技术和LIN总线技术。
北京公交车辆上的网络连接方式主要采用两条CAN网络:
一条用于驱动系统的高速CAN,速率达到500kb/s,主要连接对象是发动机控制单元(ECU),自动变速箱控制单元(ECU),它们是汽车运行的核心部件,都是控制与汽车行驶直接相关的系统,对时间响应要求严格;另一条用于车身系统的中速CAN网络,速率是100kb/s,主要连接对象是电源供电系统、启动系统、车门控制、各种报警信息、仪表信息、转向灯、车厢内照明灯等。
在2条独立的总线之间设置“网关”,即在各个CAN之间搭桥,以实现资源共享,如图1所示。
同时,将各个数据总线的信息反馈到仪表板总成上的显示屏上,驾车者只要看看仪表板,就可知道各个电控装置的工作是否正常。
图1
1.动力网络组成及特点
动力总线网络又称为高速CAN总线,采用美国SAEJ1939通信协议。
主要由电控发动机ECU、自动变速箱ECU、CAN-H、CAN-L数据传输屏蔽双绞线及2个120Ω终端电阻组成(见图2)。
图2
动力网络CAN-H电压为2.8~3.0V,CAN-L电压为1.8~2.0V;CAN-H与CAN-L之间的电压差为1V左右,断电后CAN-H与CAN-L之间的电阻为60Ω。
该网络主要用于实现发动机ECU与变速箱ECU之间的信息共享(如发动机转速信号、油门开度信号等数据),并通过桥模块将发动机水温、机油压力、转速信号、变速箱档位信号、缓速器信号等信息发送到低速CAN网络仪表上。
2.低速网络组成及特点
(1)公交车辆上的低速车身网络采用的是中德哈尔滨威帝有限公司提供的三级CAN总线网络。
主要由管理模块、前控模块、开关模块、前灯模块、中控模块、顶控模块、胎压模块、后控模块、桥模块、仪表模块、后灯模块、CAN数据传输屏蔽双绞线及2个120Ω终端电阻组成(一个位于后控模块里,一个位于仪表模块里)。
威帝CAN网络中的模块上(除开关模块、桥、胎压模块)都有五根必备线分别为VPP、VBB、WAKE-UP、GND、信号线(CAN-H、CAN-L)。
其中CAN-H与CAN-L信号线的电压都是2.5V左右,电压差为0V,这是由于万用表响应时间低于CAN信号线上的信号传输速率;断电后CAN-H与CAN-L之间的电阻为60Ω,主要用于传输各个模块的数据信息;VPP用于给模块提供工作电源,其电压为当前电瓶电压;VBB用于给负载提供电源,其电压为当前电瓶电压;WAKE-UP用于唤醒各个模块工作,前控模块为唤醒线输出,其余模块为唤醒线输入,其电压为当前电瓶电压;GND为模块搭铁线。
开关模块只有WAKE-UP、LIN、GND三根线,LIN线电压为12V,用于将开关模块上的各种开关信号传输到前控模块。
(2)威帝三级CAN总线网络信号按产生的方式可分为输入信号与输出信号。
输入信号又可分为正控信号(如启动信号、点火信号、转向灯开关信号)、负控信号(如低压报警指示灯、发动机故障指示灯灯)、悬空信号(如后舱门报警、刹车蹄片报警);输出信号只有正控信号(如厢灯输出、大灯输出)。
(3)威帝三级CAN总线网络信号按数据类型可分为模拟信号与数字信号。
模拟信号是由传感器检测得到,并将得到的信号进行转换(A/D),变成数字信号,送给MCU,由MCU将生成的CAN报文发送到总线上.模拟信号一般显示在指针表上,如气压信号、发动机水温信号、机油压力信号等;数字信号由开关或传感器向威帝模块提供通断开关量,数字信号相对简单,可直接由MCU接收,然后将报文发到CAN总线上,如发动机诊断,刹车片磨损、低气压报警等,一般显示在仪表上。
三、汽车总线常见故障及诊断
1.故障机理分析
装有CAN总线系统的车辆出现故障时,应首先检查汽车多路信息系统是否正常,因为如果多路信息传输系统有故障,则整个汽车信息传输系统中的部分信息无法传输。
对于汽车多路信息传输系统故障的检测与维修,应根据多路信息传输系统的具体结构和控制回路进行具体分析。
一般来说,引起汽车多路信息传输系统故障的原因有三种。
(1)汽车电源引起的故障
汽车数据总线系统的核心部分是电控单元,电控单元的正常工作电压在24~28V的范围内。
如果汽车电源系统提供的工作电压低于该值,就会造成一些对工作电压要求高的电控单元出现短暂的停止工作,从而使整个数据总线系统出现短暂的无法通讯。
(2)多路信息传输系统链路故障
当汽车数据总线系统的链路(或通讯线路)出现故障时,如:
通讯线路短路、断路,以及线路物理性质引起的通讯信号衰减或失真,都会引起多个电控单元无法土作,或引起电控系统错误动作。
判断是否为链路故障时,一般采用示波器或汽车专用光纤诊断仪,观察通讯数据信号是否与标准通讯数据信号相符。
(3)节点故障
节点是指汽车数据总线系统中的电控单元,因此节点故障就是数据总线中的电控单元自身有故障。
它包括软件故障和硬件故障。
软件故障即传输协议或软件程序有缺陷或冲突,从而使汽车数据总线系统通讯出现混乱或无法工作,这种故障一般成批出现,且无法维修。
硬件故障一般是通讯芯片或集成电路故障,造成总线系统无法正常工作。
2.北京公交车辆汽车总线系统故障分类及诊断方法
一般说来公交汽车总线故障按类型可分为四类:
电源供电系统故障、CAN模块故障、通信线路故障、各种执行器或传感器信号输入故障。
(1)电源供电系统故障
故障现象:
CAN总线模块工作电压低于24V或者高于28V,CAN总线系统无法正常工作。
故障分析:
汽车CAN总线系统的核心部分是电控模块ECU,其正常工作电压在24~28V的范围内。
如果超出该范围,CAN总线模块无法正常工作。
排除方法:
①检测蓄电池电压是否在24~28V的范围内;②模块搭铁线GND是否可靠;③检测CAN总线模块的VPP电源对地及模块搭铁GND之间的电压是否与当前电源电压一致(当前电源电压一般为24~28V);④检测CAN总线模块的VBB电源对地及模块搭铁GND之间的电压是否与当前电源电压一致(当前电源电压一般为24~28V)。
(2)CAN模块故障
故障现象:
模块控制的大部分功能均正常,只有一个或几个功能时有时无(如转向灯、示廓灯),更换新的模块后故障消失。
故障分析:
威帝CAN模块每个输出管脚都有自我恢复保险,管脚过载时,可用于保护模块烧毁,当某个管脚自我恢复保险性能下降,就会造成该管脚控制的功能出现异常。
排除方法:
更换新的模块或将威帝模块内的自我恢复保险。
(3)通信线路故障
故障现象:
①动力网络中,变速箱ECU接受不到发动机的转速、油门信号,造成变速箱无法挂档;②发动机、变速箱相关信息如转速、水温、机油压力信号、缓速器信号无法传输到威帝CAN仪表上;③各种报警信号在CAN仪表上无显示;④各种电器无法正常工作,如转向灯、厢灯、发动机起动机等。
故障分析:
CAN总线通信线是各个模块之间交换数据的通道,该通道出现问题时,会造成通信网络故障,影响CAN总线系统工作。
排除方法:
①断电检查每个电阻的电阻值是否为120Ω;(对于高速CAN来说:
120Ω电阻分别安装在发动机与变速箱ECU的两端;对于威帝低速CAN来说:
120Ω电阻分别安装在仪表模块与后控模块里。
)②检查整个网络的电阻值是否为60Ω(两个120Ω电阻为并联连接);③检测CAN-H与CAN-L之间的电压值是否符合标准;(对于高速CAN来说:
压差为1V;对于威帝低速CAN来说:
压差为0。
)④检测CAN-H、CAN-L对地电压值是否符合标准;(对于高速CAN来说:
CAN-H电压值为2.8~3V,CAN-L电压值为1.8~2V;对于威帝低速CAN来说:
CAN-H电压值为2.4~2.5V,CAN-L电压值为2.4~2.5V。
)⑤检测威帝低速CAN网络的WAKE-UP唤醒线电压值,威帝前控模块为输出电压,其余模块为输入电压,电压值为当前电源电压值(一般在24~28V);⑥检测LIN信号线电压是否符合标准值,电压值为10~12V。
(4)信号输入、输出故障
故障现象:
威帝模块控制的某一功能无法实现,如ACC电源供电、点火电源供电、启动电源供电、各种灯光照明功能等无法正常工作。
故障分析:
威帝模块的工作原理是通过各种开关信号或传感器模拟量信号的输入,经相应模块接收处理后,通过CAN网络传输到相关模块,经模块内部CPU处理后,实现各种功能输出。
当信号输入线或信号输出线出现断路、短路故障时,就会造成相关功能异常。
排除方法:
根据该功能实现的原理及电路原理图进行分析,并分段进行诊断与排除。
可将诊断分为3部分:
信号输入部分、信号传输部分、信号输出部分。
输入信号的检测:
①检测输入信号装置与模块之间的线束是否正常,有无短路、断路;②检测信号输入是否正常,输入信号一般可分为正控信号、负控信号、悬空信号、模拟量信号。
对正控信号信号而言,可以测量其对地电压是否符合标准;对负控信号而言可将输入端直接与地搭铁,模拟一负控信号;对于悬空信号而言可直接将输入端悬空,检测故障是否排除;对于模拟量信号而言,可在输入端接入可变电阻,通过调节电阻阻值,检测输出端是否发生变化,以便确定是否是输入端存在故障。
信号传输部分:
信号传输部分故障主要包括:
CAN通信故障、模块管脚输入、输出故障(即模块硬件故障),排除方法已述。
输出信号检测:
①检测输入信号装置与模块之间的线束是否正常,有无短路、断路;②检测信号输出是否正常,威帝三级CAN总线输出信号只有正控信号,只需检测输出端与地之间的电压是否符合标准(一般情况下,输出电压为车辆当前电源电压约为24~28V),如果电压正常,检查执行装置工作是否正常。
3.典型案例分析
(1)故障现象:
BK6111CNGZ3车型启动继电器不工作,发动机无法启动。
(2)故障原因分析
图3
①.根据发动机启动控制电路图分析可知(启动控制电路见图3),发动机启动继电器的控制电源是由后控模块的J1-17输出+24V,利用万用表电压档检测与地之间的电压值为0,确定后控模块J1-17无电压输出。
②根据威帝三级CAN总线设计原理可知:
后控模块J1-17要正常输出必须满足四个条件:
发动机转速信号为0、变速箱处于N档(空档)位置、后舱门信号关闭、ST档(启动)信号正常即前控模块J4-8输入信号正常(当前电源电压)。
根据先易后难的故障诊断方法,首先打开点火开关,观察CAN总线仪表上N档信号指示、后舱门指示是否正常,发现N档信号指示正常,后舱门提示为打开状态,经过再次确认后舱门已经关闭,但后舱门信号仍提示为打开,此时可初步判定故障点在行程保护开关信号异常,将行程保护开关的信号线搭铁后(悬空时,显示后舱门打开),启动发动机,发动机正常启动;据此推断行程保护开关存在故障,更换此开关后,故障解决。
四、结论
CAN总线在汽车上的广泛应用将使汽车的动力性、操纵稳定性、安全性、燃油经济性都上升到新的高度,给汽车技术的发展注入新的活力。
作为汽车维修人员必须深入掌握汽车CAN总线技术的结构组成、工作原理、故障特点及诊断排除方法,只有这样,才能适应汽车CAN总线这一新技术对汽车维修人员的要求,从而保证快速、准确地排除装配有CAN总线的汽车故障。
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