基于CAN总线的车载故障诊断系统设计研究

1 摘 要 随着汽车电子技术的发展，汽车上的电子控制单元（ 越来越多，采用能够满足多路复杂的总线通信系统，可以将各个 接成为一个网络，以共享的方式传输数据和信息，实现网络化的数字通信与控制功能。因此，基于简化汽车线束、增强控制功能、提高安全保证、降低燃油消耗、节约制造成本等多方面的考虑，采用数字化车载网络技术将会为汽车电子产业带来一个巨大的飞跃，而 显示车载网络中重要的组成部分，目前，它已在汽车动力系统和车身系统的网络通信与控制中得到广 泛的应用。 本文对汽车通过对 线的介绍，阐述其特性。通过汽车故障诊断系统，介绍了汽车故障诊断的原理，通过对基于汽车 线的故障诊断实验和 块通信，介绍了 关键词：汽车， 障诊断，网络通信 2 of of s in CU in a to s hi to on of a an of at it in is on AN a of of AN AN AN 3 4 基于 线的故障诊断系统研究 汽车目前已不仅仅是一种交通工具，而且还承担着越来越多的功能。现代科技已经将网际网络、无线网络、个人通信电子装置、娱乐设备等整合到汽车内部，为乘客提供了前所未有的便利， 而这一切的实现都有赖于汽车电子网络技术。 汽车电子网络技术是现代汽车电子技术的重要组成部分，是现代汽车通信与控制的基础。随着电子技术、计算机技术等发展，一些汽车的电子装置已经占整车价值的三分之一，而且前一些高档车上的电子控制单元已达几十个，传感器有上百个，它们通过汽车电子网络来实现信息交换和功能控制。 代汽车电子技术的发展阶段 现代汽车电子技术的发展大致经历了以下几个阶段： 电子管时代： 20 世纪 50年代，人们开始在汽车上安装电子管收音机，这是电子技术在汽车应用的雏形。 1959 年晶体管收音机问世后， 很快在汽车上得到了应用。 晶体管时代： 20 世纪 60年代，汽车上应用了硅整流交流发电机和晶体管调节器，到 60 年代中期，利用晶体管的放大和开关原理，开始在汽车上采用晶体管电压调节器和晶体管点火装置。但电子技术更新的应用在汽车上是 20世纪 70 年代以后，主要是为了解决汽车安全问题、节能和环 5 保的三大问题。进入 70 年代后期，电子工业有了长足的发展，特别是在集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路技术的飞速发展，使得微控制器在汽车上得到广泛的应用，给汽车工业带来了跨时代的变革。 集成电路时代： 20世纪 90 年代，汽车电子 进入了其发展的第三阶段，这是对汽车工业的发展最有价值、最有贡献的阶段。集成电路技术所取得的巨大成就使得汽车电子前进了一步，更加先进的微控制器的汽车具有智能，能进行控制决策。这样不仅在节能、排放和安全等方面提高了汽车的性能，同时也提高了汽车的舒适性。 网络化综合技术时代：目前汽车技术已经发展到第四代，即包括电子技术、计算机技术、综合控制技术、智能呢个传感器技术等先进汽车电子技术。以微控制器为核心的汽车电子控制单元已不再是通过传统的线束连接起来的，而是通过汽车电子网络系统连接起来的，实现了通信与网络化管理。 一 些汽车专家认为，就像汽车电子技术在 20世纪 70 年代引入集成电路、 80 年代引入微控制器一样，近十年来，数据总线技术的引入也将是汽车电子技术发展的一个里程碑。 车电子系统网络化 过去，汽车通常采用常规的点对点通信方式将电子控制单元及电子装置连接起来，随着电子设备的不断增加，势必炒成导线数量的不断增多，从而使得在有限的汽车重建内部线越来越困难，限制了功能的扩展。汽车上的电子控制单元并不是仅仅与负载设备简单的连接，更多是与外围的设备及其他电子控制单元进行信息交流，并经过复杂的控制决策运算，发出 6 控制指令，这 些事不能通过简单的连接所能完成的。另外，在不同子系统中的电控单元常常会同时与要一些相同的传感器信号，这样就要就同一传感器信号必须同时被送至不同的控制器，因此被送至不同的控制器，因此要求各模块与传感器之间通过导线连接起来，从而会导致内导线长度无限增加，电器节点数剧增，电器原理图繁琐复杂。而汽车线束重量每增加50百公里耗油会增加 线束 也是汽车系统中成本较高、连接复杂的部件。 现在，通过电控系统网络化控制功能从根本上解决这些问题。采用总线技术，可以显著的降低电缆重量，能节省很多电线和接插件，减少电 缆总长度。根据车内设备被的配置水平，一部车上电线和接插件重量减少9缆长度能缩短 200汽车内部采用基于总线的网络结构，可以达到信息共享、减少布线降低成本以及提高总体可靠性的目的。汽车控制系统在经历了由机械向电控式的进步后，再一次向网络化控制迈进。随着汽车电子控制单元以及汽车电子装置的不断增多，采用串行总线实现多路传输，组成汽车电子网络，是一种既可靠又经济的做法。同时现代汽车基于安全性和可靠性的要求，正越来越多地考虑使用电控系统代替原有的机械和液压系统，而这最终将使汽车上遍布网络。 网络的概念是在协议管理下，由若干终端、传输设备和通信控制处理器等组成的系统集合。汽车电子控制网络则只按照特定的车载网络协议，以共享资源为主要的目的，将所有位置上分散且独立工作的车载控制模块相互连接在一起的集合。汽车电子网络化控制是指网络的控制功能在汽车这一特定对象上的应用，它们现在车内各控制模块间的自由通信与协调。 7 目前，世界上所有的汽车制造商无一例外的在汽车网络化控制上投入大量投资，同时，厂商及消费者也从汽车网络化控制技术的广泛应用中获得了实际利益，这直接体现在汽车性价比的不断提高上。汽车网络化技术是通 信技术、计算机技术以及控制理论相结合的产物，它将成为现代汽车电子技术最重要的技术基础。 随着汽车电子技术的发展，汽车上的电子控制单元 用能够满足多路复用的总线通信系统，可以将各个 共享的方式传送数据和信息，实现网络化的数字通信与控制功能。因此，基于简化汽车线束、增强控制功能、提高安全保证、降低燃油消耗、节约制造成本等多方面的考虑，采用数字化车载网络技术将会汽车电子产业带来一个巨大的飞跃，而 线是车载网络系统中重要的组成部分，目前，它已在汽车动力系统和车身系统网 络通信与控制中得到广泛的应用。 车故障诊断的重要性 随着汽车用途的日益广泛，使用量的急剧增加，汽车故障发生率和提高故障诊断的技术成为汽车工业一个十分重要的问题。 现代汽车的技术性能已变得越来越好，结构也变得越来越复杂 ， 同时，故障诊断的难度也有了相应的增加，人们迫切需要提高系统的可靠性、可维修性和安全性，因而有必要建立一个监控系统来监控整个系统的运行状态，不断检测系统的变化和故障信息，进而采取必要的措施，防止事故的发生， 这使得汽车故障诊断技术必须改变原始的检测方法，以新的检测诊断技术和方法来保证汽车运 行的安全、节能，降低车辆排放量和噪音，减少运行和维修成本， 8 以延长其经济使用寿命。为了改变和突破汽车故障诊断以经验和技艺的传统观点，以现代故障诊断理论和技术为基础，建立科学、系统、合理、完善的汽车故障诊断理论及其体系，已变成目前汽车故障诊断理论的必然要求和技术发展的必然趋势，能跟踪和掌握汽车领域高新技术的智能故障诊断理论和方法的研究具有十分重要的实际意义和非常广泛的应用前景。 因此，汽车故障诊断技术得到迅速发展，已成为科技研究的热点之一。汽车故障诊断技术是一门综合性的技术，它涉及多门学科，如现代控制理论、信号处 理、模式识别、计算机工程、人工智能、电子技术、应用数学、数理统计以及相关的应用学科。 1 汽车内部 线的基本原理 现代汽车的电予结构是通过几种通信系统将微控制器、传感器和执行器连接起来的艺术。欧洲的汽车制造商从 1992 年以来，基本上采用的都是 线标准 可支持高达 1 s 的各种通信速率。而从 1994 年以来， 广泛应用于卡车、大客车、建筑设备、农业机械等工业领域的高速通信，其通信速率为 250 s。在美圈， 司从2002 年开始在所有的车型上使用其专属的所谓 线标准，它是一种基于 传输速率在 500 s 的通信标准， 司和 司在制定自己的乘用车高速 线通信协议时，也是基于 上述各类基于 消息对媒体的访问中采用非破坏性的仲裁机制，以规避总线冲突，从而保证系 9 统的安全。正是这一安全性使其成为欧洲汽车制造商的标准，并被用于轿车、卡车和越野车 (标准的扩展版与美国标准兼容，并对全球应用开放 )。 0 技术规范是在 1991 年制定 并发布的，它包括 A 和 B 两部分。2 0A 给出了曾在 术规范 1 2版本中定义的 标准格式 )，而 给出了标准的和扩展的两种格式。此后，在 1993 年 数字信息交换 高速通信控制器局域网(际标准 (l 1898)。 术规范 及 际标准 设计汽车高速网络系统的基本依据和基本规范。 汽车电子控制单元之间通信传输速率最高 l s 时，使用控制器局域网络构建数字信息交换的相关特性进行了 详细规定。 2284 仅相当于将 位速率设定为 500 s 进行通信应用时的特例。所以 通信协议的规定沿袭 1898，只是在电气参数方面将 1898 中的相关内容作了适当的调整和细化，以便服务于位速率为 500 车内部 在今天的汽车中，作为一种典型的应用，车身和舒适性控制模块都连接到 借助于 线进行外围设备控制。在很多情况下，汽车高速控制系统，都是使用高速 线连接在一起的。远程信息处理和 多媒体连接需要高速互连，视屏传输又需要同步数据流格式，这些都可由 议来实现。 国际上众多知名的汽车公司早在 20世纪 80年代就积极致力于汽车网络技术的研究及应用。迄今为止，已有许多种网络标准。目前存在的多种 10 网络标准，其侧重的功能有所不同，为了方便研究和设计应用，车辆网络委员会将汽车数据传输网划分成 A、 B、 C 三类。 A 类是面向传感器 /执行器控制的低速网络，数据传输位速率小于10，主要用于后视镜调整，电动车窗，灯光照明等控制； 速率一般在 10s 之间，主要应用与车身电子舒适性模块、仪表显示等系统； 施控制的多路传输网，位速率在 125kb/s 之间，主要用于牵引控制、先进发动机控制、 系统。 通常，汽车网络结构采用多条不同的速率的总线划分连接不同类型的节点，并使用网关服务器来实现整车的信息共享和网络管理。 车身系统（包括组合仪表、信号及照明灯组、四门集控锁、车窗及后视镜）的控制单元多为低速电动机和开关量器件，对实时性要求低而数量众多。使用低速的总线连接这些电控单元。将这部分电控单元与汽车的动力、传动等系统分开，有 利于保证动力、传动系统通信的实时性。此外，采用低速总线还可增加传输距离、提高抗干扰能力并降低硬件成本。 动力、传动等系统（包括发动机控制系统、防抱死制动系统等）的受控对象直接关系汽车的行驶状态，对通信实时性有较高的要求。因此使用高速的总线连接这些系统。传感器组的各种状态信息以广播的形式在高速总线上发布，各个节点可以在同一时刻根据自己的需求获得信息。这种方式最大限度地提高了通信的实时性。 故障诊断系统时将车用诊断系统在通信网络上加以实现的。 信息与车载媒体系统（包括数字音响系统、车载 车导航系统 11 及带宽无 线接入网络等）对于通信速率的要求提高，一般在 2 以上。采用新型的多媒体总线连接车才媒体。这些新型的多媒体总线往往是基于光纤通信，从而可以充分保证带宽。 网关是汽车的内部核心，通过它可以时间各条总线上信息的共享以及实现汽车内部的网络管理和故障诊断。 缩写（以下称为 是 当前的汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些 系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。为适应 “ 减少线束的数量 ” 、 “ 通过多个 行大量数据的高速通信 ” 的需要， 1986 年德国电气商博世公司开发出面向汽车的 信协议。此后， 过 行了标准化，现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。 现在， 高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一 ,被誉为自动化领域的计 算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。 12 线在汔车网络上的应用 由于 此有必要研究一下目前 线最初是专门为解决乘用车的串行通信而研制的。目前，欧洲的汽车制造商基本 上 都使用 线来连接车身电子系统以及动力系统，美国的汽车制造商也已经决定在其动力系统中利用 线进行系统通信，而远东的汽车制造商也开始采用基于 司是第一家应用 线的汽车制造商，它使用了基于 线的网络来连接动力系统的电予控制单元，现在几乎所有司的乘用车和卡车宅都采用 线来卡勾建其动力系统的网络。而其他欧洲汽车制造商，如 公司也都将 线应用于其汽车网络系统。 大多数的欧洲汽车制造商也都采用基于 高速网络用于动力系统的通信，其传输速率在 125 s 1 s 之间，网络通信中可采用适用于 1898 1、 1898 2 的高速收发器。另外，汽车制造商还利用基于 多路系统来构建车身网络，用于连接车身电子控制单元，其网络数据传输速率一般小于 125 s，在网络通信中可采用适用于 1898 3 的低速容错收发器。而 4 对于 规定则可满足 统中对于时间触发通信的要求。 在欧洲，所有乘用车日前正在开始全面使用基于 故障诊断接口，而其所使用的相应故障诊断标准也已成为国际标准。该接口规范为国际标准 5765，它规定了相应的物理层、传输层、应用层以 及如何使 13 用 000 的服务。这样，在所有的乘用车上都至少有一个 节点。 在乘用车上， 线除了能够应用于构建连接动力系统和车身电予系统的多路网络外，另一个应用就是连接车载电 _了娱乐装置，根据 载多媒体网络总线的一种选择为 C(其消息帧格式采用扩展帧格式。 汽车上各种基于 网络通过网关连接在一起，在许多系统设计中，网关的功能是通过汽车仪表板来实现的。未来汽车的仪表板本身也将使用一个局部 便连接不同 的显示和控制单元。 作为汽车动力系统和车身电子系统最主要的应用网络， 经被欧洲汽车制造商广泛接受，同时它也正在为美国和远东的各汽车制造商所接受，用来构建汽车网络。虽然以往美国汽车制造商广泛使用 构建车身网络，但目前 M)等汽车制造商已经投入到 线的开发之中，而 50 也正被 逐步取代。在远东， 经在其汽车十采用 线连网，而其他的日本和韩国汽车制造商也正在积极跟进。 下一代的高端乘用车将会 装备上百个基于控制单元的微控制器，它们中 的 大 部 分 将 会 通 过 口 连 接 在 汽 车 网 络 上 。 根 据场研究公司公布的一份对微控制器和汽车网络的研究表明，大多数乘用车都选用基于 网络，目前在美国市场上， 1850 的网络。 2005 年， 据整个汽车网络协议的63。在欧洲，尽管有其他新的协议在对安全性要求严格以及多媒体领域 14 找到立足点，但是仍有 88的网络是基于 线以其较高的可靠性和较低的价格优势，仍将占有汽车网络的较大份额。 今大的汽车通信基 本上是采用控制器局域网的事件触发通信形式，其仲裁机制采用的是根据标识符的优先级发送消息的方式，最高优先级的消息在发送时不受干扰。在可预见的下一代车辆系统中，一些执行关键任务的网络，如 统，在通信服务期间需要有确定的行为，即使在总线最大负载时，与安全相关的消息的发送必须得到保证，而且当消息以高精度发送时，它必须确定可能的时间点。 解决这个问题的一种途径是采用基于 线的时间触发协议通信是通过一种以时间为主导的参考消息周期性发送来完成的。同时，它在系统范围内引入了一个高精度的 全局网络时间，基于这个时间，不同的消息在一个基本循环内都可以分配到各自的时间窗。同典型的预定系统相比， 就是在一定的仲裁时间窗内它也有可能发送事件触发协议，产生正常仲裁的这些时间窗允许发送自发的消息。 如 图 基于 汽车网络系统，显示了各个子网的连接情况。基于不同的目的，各子网的要求也不尽相同，如高速 于动力系统的通信与控制，低速 媒体部分需要较宽的带宽，而 强调容错和安 全。 15 图 车 线网络系 统 线的基本特点 由于目前在汽车上使用的高速网络系统采用的都是基于 线的标准，特别是广泛使用的 际标准。 线通常采用屏蔽或非屏蔽的双绞线，总线接口能在极其恶劣的环境下工作。根据 使双绞线中有一根断路，或有一根接地甚至两根线短接，总线都必须能继续工作。 线是一种串行数据通信总线，其通信速率最高可达 1 s。统内两个任意节点之间的最大传输距离与其位速率有关。 传输速率达 1 s 时，最大传输距离为 40 m。 对一般实时控制现场来说足够使用。 线具有较强的错误检测能力，通过监视、循环冗余校验、位填充和报文格式检查，使得未检测出的出错概率小于 通过故障界定， 点还有自动识别永久性故障和短暂干扰的能 16 力。在处于连续干扰时， 点将处于关闭状态。而且， 的节点可在不要求所有节点及其应用层改变任何软件或硬件的情况下被连于络中。 如下基本特点： 1总线访问采用基于优先权的多主方式。 线的最大特点是任一节点所发送的数据信息不包括发送节点或接收节点的物理地址。信息的 内容通过一个标识符 (标记，在整个网络中，该标识符是唯一的。网络上的其他节点收到信息后，每一节点都对这个标识符进行检测，以判断此信息是否与自己有关。若是相关信息，则它将得到处理；否则被忽略。这一方式称为多主方式。采用多主的优点是可使网络内的节点数在理论下不受限制 (实际上受限于电气负载 )，也可以使不同的节点同时接收到相同的数据。数据字段最多为 8 字节，既能满足一般要求，又可保证通信的实时性。 标识符还决定了信息的优先权。 优先权越高。 线确保发送具有最高优先权信息的节点获得总线使用权，而 其他的节点自动停止发送。总线空闲后，这些节点将自动重新发送信息。 2非破坏性的基于线路竞争的仲裁机制。 用带有冲突检测的载波侦听多路访问方法，它能通过无破坏性仲裁解决冲突。 线上的数据采用非归零编码 (数据位可以具有两种互补的逻辑值，即显性和隐性。显性电平用逻辑“ 0”表示，隐性电平用逻辑“ 1”表示。总线按照线与机制对总线上任一潜在的冲突进行仲裁，显性电平覆盖隐性电平。 线上的信息是用固定格式的帧来进行传送的，这些帧长度有限且不尽相同。总线空闲时，接在其上的任何节点都可以开始发送 新的帧。 17 总线空闲时，任何节点都可以开始发送帧。如果两个和两个以上的节点同时开始发送帧，由此引起的总线访问冲突是利用基于线路竞争的仲裁对标识符进行判别来解决的。仲裁机制可以保证既不会丢失信息，也不会浪费时间。优先权最高的帧的发送器将获得访问总线的权利。 3利用接收滤波对帧实现了多点传送。在 统中，节点可以不用任何有关系统配置 (如节点地址 )的信息。接收器对信息的接受或拒收是建立在一种称为帧接收滤波的处理方法上的。该处理方法能判断出接收到的信息是否和接收器有关联，所以接收器没何必要辨别出准是信息的发送器 ，反过来也是如此。 4支持远程数据请求。通过送出一个远程帧，需要数据的节点可以请求另外一个节点向自己发送相应的数据帧，该数据帧的标识符被指定为和相应远程帧的标识符相同。 5配置灵活。往 络中增添节点时，如果要增添的节点不是任何数据帧的发送器或者该节点根本不需要接收额外追加发送的数据，则网络中所有节点均不用做任何软件或硬件方面的调整。 6数 据在整个系统范围内具有一致性。使一个帧既可以同时被所有节点接收，也可以同时不被任何节点所接收，这在 络中完全能够做到。因此，系统具有数据一 致性的特征 ，而这 一特征是利用多点传送原理和故障处理方法来获得的。 7有检错和出错通报功能。在 位检测； 15位循环冗余码校验； 18 填充宽度为 5的位填充； 帧校验。 8仲裁失败、或传输期间被故障损坏了的帧能自动重发。任何正在发送数据的节点和任何正在正常 (或错误激活状态下 )接收数据的节点都能对出现了错误的帧作出标记，并进行出错通报。这些帧会立即被放弃，此后，遵循系统所采取的恢复计时机制，它们将被适时重发。从检测出错误开始、到可以着手发送下一个帧为止的这段时间称为恢复时间，此后如果 再未出错的话，恢复时间一股占 1723 个位时间（在总线遭受严重干扰的场合，最多占 29 个位时间）。 所有接收器都会校验所接收帧的一致性，然后对具有一致性的帧做出应答、对不具有一致性的帧做出标记。 仲裁失败或在发送过程中被错误干扰了的帧将会在下次总线空闲期间被自动重发。要被重发的帧处理起来与别的帧完全一样。这意味着，为了获得对总线进行访问的权利，它还是要参与仲裁过程。 9能区分节点的临时故障和永久性故障并能自动断开故障节点。 点能够区分出短期干扰和永久性故障，出故障的节点会被断开。断开意味着该节点脱离了 与总线逻辑上的连接，因此它既无法发送、也无法收到任何帧。通常情况下，一个 激活、错误 处于错误 且可以在检测到错误时送出活动错误标志。活动错误标志由连续的 6 个显性位构成，这违反了位填充规则及正常帧所具有的各种规定格式。 19 处于错误 参与总线通信活动，但在检测到错误时送出的是认可错误标志。认可错误标志由连续的6 个隐性位构成。发送完毕后，处于错误一认可状态的节点在起动下一次发送之前还要另 外再等一定的时间。 节点因故障界定实体的要求而从总线上断开后就进入离线状态，处于离线状态的节点既无法发送、也无法接收任何帧，只有用户请求才能使该节点结束离线状态。 一种低成本的串行通讯网络用于实现汽车中的分布式电子系统控制 目标是为现有汽车网络 (例如 线 )提供辅助功能因此 线的带宽和多功能的场合比如智能传感器和制动装置之间的通讯使用 线可大大节省成本 。 术规范中除定义了基本协议和物理层外还定义了开发工具和应用软件接口 。 讯是基于 据格式采用单主控制器 /多从设备的模式仅使用一根 12V 信号总线和一个无固定时间基准的节点同步时钟线这种低成本的串行通讯模式和相应的开发环境已经由 会制定成标准 标准化将为汽车制造商以及供应商在研发应用操作系统降低成本。 主要特性 ： 低成本基于通用 口几乎所有微控制器都具备 需的硬 20 件 。 极少的信号线即可实现国际标准 定 。 传输速率最 高可达 20s。 单主控器 /多从设备模式无需仲裁机制 。 从节点不需晶振或陶瓷震荡器就能实现自同步节省了从设备的硬件成本 。 保证信号传输的延迟时间 。 不需要改变 节点的硬件和软件就可以在网络上增加节点 。 通常一个 络上节点数目小于 12 个共有 64 个标志符 。 通讯规则 一个 络由一个主节点一个或多个从节点组成所有节点都有一个从通讯任务 ， 该通讯任务分为发送任务和接收任务主节点还有一个主发送任务 。 一个 络上的通讯总是由主发送任务所发起的主控制器发送一个起始报文 ， 该起始报文由同步断点同步字节消息标志符所组成 ， 相应的在接受并且滤除消息标志符后 ， 一个从任务被激活并且开始本消息的应答传输该应答由 2/4/8 个数据字节和一个校验码所组成起始报文和应答部分构成一个完整的报文帧 。 文帧 的组成： 由报文标志符指示该报文的组成这种通讯规则 ， 可以用多种方式来交 21 换数据 ， 由主节点到一个或多个从节点 ， 由一个从节点到主节点或其他的从节点 ， 通讯信号可以在从节点之间传播而不经过主节点或者主节点 ， 广播消息到网络中的所有节点报文帧的时序由主控制器控制 。 用来实现的应用 典 型的 线应用是汽车中的联合装配单元如门方向盘座椅空调照明灯 、 湿度传感器 、 交流发电机等 ， 对于这些成本比较敏感的单元 以使那些机械元件 。 如智能传感器制动器或光敏器件得到较广泛的使用 ， 这些元件可以很容易的连接到汽车网络中 ， 并得到十分方便的维护和服务 。 在 现的系统中通常将模拟信号量用数字信号量所替换 ， 这将使总线性能优化 。 在以下的汽车电子控制系统中使用 实现将得到非常完美的效果 车顶 湿度传感器 光敏传感器 信号灯控制 汽车顶篷 车门 车窗玻璃 中枢锁 车窗玻璃开关 吊窗提手 22 车头 传感器 小电机 方向盘 方向控制开关 挡风玻璃上的擦拭装置 方向灯 无线电 空调 座椅 座椅控制电机 转速传感器 尽管 初的设计目的是用于汽车电子控制系统 ， 但 可广泛应用于工业自动化传感器总线大众消费电子产 品中。 示。 23 图 车总线机构 2 汽车 线的故障诊断 持分布控制或实时控制的串行通信网络。目前， 据总线信息传输系统在各种车 型上应用越来越多。 线的应用使车辆控制技术更加前进，但同时也是汽车故障分析诊断更加复杂，故障原因更加不易确定。 据总线是各个电控系统之间的数据、信息实现了实时的交换、传递和共享、某项故障的原因不但影响某一电控系统，同时使相关电控系统也因此受到影响。从故障诊断角度看，如果查询电控系统故障信息，本来在单一系统的故障信息，由于 据总线的存在，故障信息将会传递、作用在多个电控系统中，从而引发更多故障。导致故障实际原因和故障现象的交叉、混合，由故障现象和故障信息很难立即将故障原因判断出来。 24 据总线系统的故障原因类型，大致有如下几类： 据总线系统信息传输的节点即电控单元本身的故障。 据总线相关电控单元的电源系统引起的故障。 据总线系统各个信息传输的链路故障。 在实际的维修过程中，关键问题是如何利用信息尽快诊断确定出具体故障部件或故障部位。 据总线系统出现故障时，在相关控制单元存储器里必然存有相关的故障信息信息。首先要明确故障码信息内容，这与一般的电控系统检测故障码、读码的步骤是一致的。但 据总线系统故障码信息又有所不同，有其特点。一般的电控系统故障码，其内 容较为具体，比如一个传感器或某个故障码信息，一般较笼统，单一性差，不明确，比如数据总线驱动链没有来自仪表板的信息，是仪表板电脑发送信息异常的节点故障还是传输链路故障。如果是链路故障，具体部位是哪里，无法从故障码中立刻判断出。 车故障诊断的原理和方法 纵观整个汽车智能故障诊断系统的发展，其基本历程是：研究开发紧紧围绕汽车最重要的总成 发动机进行。发动机的故障诊断被认为是人工智能最具有挑战性的问题，特别是现代汽车的电控系统不断增加，其故障诊断正向难度复杂化方向发展。从早期基于规则的传统故障诊断专家系统到故障诊断树转换规则的诊断专家系统，逐渐向基于模糊型、神经网络及多层次、多模型的智能故障诊断专家系统发展，并以网络传输技术为基础，实现分布式在线诊断专家系统的研究。传感器在线故障诊断技术的研 25 究成为当前发动机领域研究的热点之一。此次我论文题目所聚焦的就是现今被广泛运用于汽车故障诊断的汽车 线故障诊断技术。 故障界定的目标是实现数据传输系统即使在节点发生故障的情况下也能维持很高的可用性。因此故障界定策略必须证明在以下方面是可靠的： 区分短期故障和永久性故障 找到并断 开故障节点 故障界定策略是每个节点都配备有一个发送错误接收器及一个接收错误接收器，前者记录发送帧期间发生的错误数目，后者则记录接收帧期间发生的错误数目。 如果帧被正确发送或接收，计数就减少。发生错误引起的计数增加量要比没发生错误引起的计数减少量多。计数增量与减量之比取决于总线上可承受的出错帧与正确帧之比。在任何时刻，错误计数的情况都反映在此以前干扰出现的相对频繁程度。 通过预定计数值，可以调整节点针对错误的行为。可以调整的范围是从禁发出错标志以取消送出帧的操作，直到断开经常发送出错帧的节点。 故障界定规则 1对故障界定而言，一个节点根据错误计数结果的不同，可以处于下列三种状态之一：错误激活、错误认可或离线。错误计数依照以下规则进行更改 (在特定帧的传输过程中，可以有多条规则在起作用 )。 接收器检测到一个错误时，如果该错误不是发送活动错误标志或超载标 26 志期间的位错误，接收错误计数器将加 1。 接收器在送出出错标志后检测到第一个显性位时，接收错误计数器将加8。 发送器送出一个出错标志时，发送错误计数器将加 8。 例外 1：如果处于错误认可状态的发送器，因为没有检测到一个显性应答而认为出现了一次应答错误，并且在 发送其认可错误标志时没检测到显性位。 例外 2：如果发送器发现仲裁期间发生填充错误而送出了一个出错标志，它应该为隐性且送出的也确实是隐性，但监察时却呈显性。 在例外 1和例外 2这两种情况下，发送错误计数器保持不变。 如果发送器在发送活动错误标志或超载标志期间检测到一个位错误，发送错误计数器将加 8。 如果接收器在发送活动错误标志或超载标志期间检测到一个位错误，接收错误计数器将加 8。 任何节点在送出一个活动错误标志、认可错误标志或超载标志之后，至多允许连 续出现 7 个显性位。在检测到一连串显性位中的第 14 个 (出现一个活动错误标志或超载标志的情况下 )或检测到认可错误标志随后的一连串显性位中的第 8 个之后，且再出现一连串 8个显性位之后，每个发送器的发送错误计数器加 8，同时每个接收器的接收错误计数器也加 8。 成功送出一帧 (收到应答，并且直到送完帧结束都没检测出错误 )之后，发送错误计数器减 1，除非它原先就等于 0。 成功接收一帧 (接收过程直到应答间隙都没出错，并且顺利送出应答位 ) 27 之后，如果接收错误计数结果原来在 1 127 之间，计数器减 1；如果计数结果原来是 0，它依然为 0；如果计数结果原来大于 127，则将计数器设为 119127 之间的某个值。 2如果系统刚开始运行期间只有一个节点在线，并且该节点发送了帧，它将无法收到应答信号，就检测到一个错误，于是重新发送帧。因此，它能转入错误认可模式，但不会成为离线模式。与总线的连接关闭或处于离线状态的节点必须执行一种启动例行程序，这是为了： 在传输开始之前实现与己进入正常工作状态的那些节点同步。当检测到“应答界定符 +帧结束 +间歇”，或者“错误或超载界定符 +间歇”等于 11个隐性位时，就完成了同步处理。 在暂时没有其他节点处于正常工作状态的情况下，等候一段时间，同时保证自己不会 转入离线模式。 3错误激活和错误认可。如果某个节点的发送错误计数器或接收错误计数器超过 127(接收错误计数器只有 7位时，就会处于进位状态 )，监控器就请求 层让该节点进入错误认可状态。 让节点变为错误认可模式的出错状态促使该节点发送一个活动错误标志。 当错误认可状态下的节点的发送错误计数器及接收错误计数器均小于或等于 127 时，该节点就回到错误激活状态。 4离线管理。如果某个节点的发送错误计数器超过了 255(发送错误计数器只有 8 位时，就会处于进位状态 )，监控器就请求物理层让该节点进入离线状态。 28 离线状 态不能对总线有任何影响，它不发送任何帧，也不会发送应答信号、出错帧或超载帧。是否让此种节点从总线接收帧完全由实用要求决定。 在检测出总线上出现了 128 次连续的 11 个隐性位后，允许将处于离线状态的节点的两种错误计数器置 0，使其变成错误激活状态。 线故障管理 在总线正常运行期间，可能会发生一些总线故障，它们将会对总线运行造成影响。这些故障及其引起的网络动作在表 能出现的开路及短路故障如 图 示。 图 能出现的开路及短路故障 29 表 线故障测试 对总线故障 描述 网络动作 规范性质 某个节点掉电 剩余节点在信噪比变小的情况下继续通信 推荐性 某个节点失去与地连接 剩余节点在信噪比变小的情况下继续通信 推荐性 某处节点的屏蔽连接失效 所有节点继续通信 推荐性 开路和短路故障 所有节点在信噪比变小的情况下继续通信 推荐性 编号 开 2. 开 3. 电池电压短接 地短接 5. 地短接 电池电压短接 与 短接 所有节点在信噪比变小的情况下继续通信 任选性 与 在同一处断开 系统整体停止动作，由此形成的子系统中的节点继续通信 推荐性 所有节点在信噪比变小的情况下继续通信 推荐性 1）图中的示例不包括所有容错方式 2）对规范性质如下说明 强制性 如果发生相应的故障，网络必须按照此标第 2 列中所有规定的方式进行 推荐性 如果发生相应的故障，网络动作本该按照此标第 2 列中所有规定的方式进行，制造商可以选择不适用这里所指定的功能 任选性 如果发生相应的故障，网络动作本该按照此标第 2 列中所有规定的方式进行，制造商可以选择不适用这里所指定的功能 3）仅在使用了屏蔽电缆的场合才用考虑该故障。在这种场合下，某个节点处的屏蔽连接失效会在屏蔽层与两根信号线之间感应出共模电压。 4）编号 19 指的是事件 1 至事件 9 车各章诊断仪的不同类型 随着汽车网络化的发展对于汽车故障诊断的技术要求也日益增加，靠人工诊断已经基本不能实现现代汽车的故障诊断。因此，虽只有了汽车故障诊断仪的诞生。汽车故障诊断仪主要分为 分通用型和专用型 ： 30 专用型就是一般 4用的，针对某一特定厂家开发的诊断仪，类似与通用的 特的 是美国 司开发的，大众的是西门子的 5051/5052。 如图 示。 通用型目前市场上以国产为主，比较知名的有元征，金德，车博士，金奔腾等，提供的功能大同小异，国外的有 价格较贵，而且升级需付费 。如图 示。 对一般修理厂来说，肯定是选择国产的较为适宜，因为国外品牌对国产车支持严重不足，能及时更新其实第一位的。 图 用汽车故障诊断仪 图 431 31 障诊断在汽车电子网络中的作用 基于 1939诊断应用层定义了用于诊断服务的报文帧，诊断报文（ 供了用于车辆进行诊断和维护的功能。 1939供的诊断定义是为了满足所有可能使用 1939网络用户的需求，这些定义适合 1939中定义的所有工业组的应用。诊断必须具有能满足不同客户、工业组和法规制定机构所需求的诊断能力。 1939 的诊断部分主要面向以下几个方面： 安全性：定义了一个使用在一系列数据连接中的安全方案，这包括存取诊断信息、获 取车辆节点配置信息、标定控制模块。 连接器：可用于车辆网络连接的连接起，诊断连接器信息必须符合应用物理层的定义。 诊断状态通信支持：提供一系列的数据格式，包括读出故障信息、清除故障信息、监视车辆参数、获取节点的配置以及其他相关信息。 诊断测试支持：可以使开发工具把各种能够控制节点放到具体的测试模式中以正确实现子网体系，诊断工具通过连接器与其他节点进行通信并获取诊断数据，而诊断故障代码记载了出错的参数及所在的节点等主要信息。 3 线的通信规范 控制器局域网（ 串行通讯协议，能有效地支持具有很 高安全等级的分布实时控制。 应用范围很广，从高速的网络到低价位的多路接线都可以使用 汽车电子行业里，使用 接发动机控制单元、传感器、防刹车系统、等等，其传输速度可达 1 s。同时， 32 可以将 装在卡车本体的电子控制系统里，诸如车灯组、电气车窗等等，用以代替接线配线装置。 这本技术规范的目的是为了在任何两个 器之间建立兼容性。可是，兼容性有不同的方面，比如电气特性和数据转换的解释。为了达到设计透明度以及实现柔韧性， 细分为以下不同的层次： 象层（ 输层（ 物理层（ 对象层和传输层包括所有由 型定义的数据链路层的服务和功能。对象层的作用范围包括： 查找被发送的报文。 确定由实际要使用的传输层接收哪一个报文。 为应用层相关硬件提供接口。 在这里，定义对象处理较为灵活。传输层的作用主要是传送规则，也就是控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定、故障界定。总线上什么时候开始发送新报文及 什么时候开始接收报文，均在传输层里确定。位定时的一些普通功能也可以看作是传输层的一部分。理所当然，传输层的修改是受到限制的。 物理层的作用是在不同节点之间根据所有的电气属性进行位信息的实际传输。当然，同一网络内，物理层对于所有的节点必须是相同的。尽管如此，在选择物理层方面还是很自由的。 这本技术规范的目的是定义传输层， 并定义 议于周围各层当 33 中所发挥的作用 （所具有的意义）。 线的物理层是将 接至总线的驱动电路。 总数将受限于总线上的电气负荷。物理层 定义了物理数据在总线上各节点间的传输过程，主要是连接介质、线路电气特性、数据的编码解码、位定时和同步的实施标 准。 总线竞争的原则 本上没有对物理层进行定义，但基于 准对物理层进行了定义。设计一个 理层具有很大的选择余地，但必须保证 出现总线竞争时，具有较高优先权的报文获取总线竞争的原则，所以要求物理层必须支持 没有发送显性位时，总线处于隐性状态，空闲时，总线处于隐性状态；当有 一个或多个节点发送显性位，显性位覆盖隐性位，使总线处于显性状态。 在此基础上，物理层主要取决于传输速度的要求。在 ，物理层从结构上可分为三层：分别是物理层信令 (物理介质附件 (和介质从属接口 (。其中 同数据链路层功能由 制器完成， 功能由 发器完成， 定义了电缆和连接器的特性。目前也有支持 制器和收发器电路，如 层有很多不同的国际或国家或行业标准，也可自行定义，比较流行的是 义的高速 4 发送接收器标准。 节点数量 理论上， 线上的节点数几乎不受限制，可达到 2000 个，实际上受电气特性的限制，最多只能接 100 多个节点。 数据链路层 数据链路层是其核心内容，其中逻辑链路控制 (成过滤、过载通知和管理恢复等功能，媒体访问控制(层完成数据打包解包、帧编码、媒体访问管理、错误检测、错误信令、应答、串并转换等功能。这些功能都是围绕信息帧传送过程展开的。 两类消息帧，其本质的不同在于 长度。图 2 5为 0就是 息帧的标准格式，它有 11 位标识符。基于0 0B 的消息帧格式，又叫做扩展消息帧格式。它有 29 位标识符，前 11位与 0 于标记 消息帧根据用途分为四种不同类型：数据帧用于传送数据、远程帧用于请求发送数据、错误帧用于标识探测到的错误、超载帧