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CAN总线关闭对新能源汽车的功能和安全性能产生的影响

来源：ZLG致远电子

2021-01-07

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CAN总线由其高可靠和实时性被广泛应用于新能源汽车、轨道交通、医疗、工程机械等行业，本文介绍CAN总线关闭对新能源汽车的功能和安全性能产生的影响，并针对工程师关注的问题，提供有效的解决方案。

CAN总线Bus Off原理汽车内部挂有很多的ECU节点，当其中一个节点发生故障进入总线关闭状态时，会很大程度上影响整车CAN网络的通讯。例如，当汽车发生碰撞时，传感器将电信号传送给安全气囊ECU，将信号进行处理，当确定需要打开安全气囊时，ECU会立即发出点火信号，气体发生器才会充满气囊，对驾驶员和乘客提供安全保护，如下图1所示。若此时安全气囊ECU处于总线关闭状态，则无法正常弹出气囊，会导致严重后果。

图1 ECU工作示意图

因此，对于新能源汽车行业工程师，了解CAN总线Bus Off原理是非常有必要的。CAN控制器可以判断出错误的类型是总线上暂时的数据错误（如外部干扰等）还是持续的数据错误（如单元内部故障、驱动器故障、断线、短路等）。由此，当总线上发生持续数据错误时，CAN控制器内部的错误计数器累积到总线关闭的阀值，可将引起此故障单元从总线上隔离出去，不参与跟总线其他节点的网络通信。如图2所示：

图2 错误检测机制

哪些因素会导致CAN总线Bus Off？

引起错误的原因大多是由物理故障引起的，主要是CAN线路产生的。其中包括：CAN_H开路、CAN_L开路、CAN_H对CAN_L短路/开路、CAN_L对VBAT短路、CAN_H对GND短路、CAN_L对GND短路、终端电阻开路等。

除了物理层线路因素，还有可能因为CAN控制器或收发器等元器件故障导致。同时，也有可能是由于CAN总线信号干扰导致的CAN信号收发不正确，严重时会导致不能正常发送报文，从而更容易导致CAN总线关闭。

例如，新能源汽车通常是指纯电动汽车或者混合动力汽车，其特色是使用电池、电容来存储能力，然后通过逆变的方式变成交流，带动电动机驱动车辆。逆变产生的巨大电流形成强干扰，串扰到CAN总线上，导致控制器死机、损坏或者通讯中断，车辆运行不稳定。

CAN总线Bus Off恢复的解决方案

如果出现了Bus Off，总线上的节点需要做一些动作，例如重启CAN控制器或是重新上电，但是这些都只是一些补救措施，最根本的还是需要找到引起Bus Off的根源。

当发生CAN总线关闭时，我们可以检查Bus Off寄存器的值，对CAN控制器的驱动及相关寄存器进行初始化操作。初始化完成后，CAN总线关闭故障就会立即解除。为了避免该节点在CAN网络中频繁发生总线关闭问题，建议在初始化后，不要立即对外发送CAN报文。

从下图所示可以看出，当节点进入总线关闭状态后，如果MCU仅是开启自动恢复功能，CAN控制器在检测到128次11个连续的隐性位后即可恢复通信，在实际的CAN通信总线中，这一条件是很容易达到的。我们已经知道，当进入总线关闭状态时，节点已经发生了严重的错误，处于不可信状态，如果迅速恢复参与总线通信，具有较高的风险，因此实际应用中，往往会通过MCU对CAN控制器总线关闭状态的恢复过程进行编程处理，以控制节点从总线关闭状态恢复到错误主动状态的等待时间，如图4所示，具体包括“快恢复”和“慢恢复”策略，两种策略一般同时应用。

图3

上文也提到过，由于汽车内部存在强干扰，也会导致CAN总线关闭。针对这种现象，我们通过以下方式进行处理：

由于汽车内部存在强电流产生的空间磁干扰，应该将CAN线缆双绞程度加大；

CAN接口设计采用CTM1051隔离收发器、隔离限幅，防止ECU死机；

CAN接口增加磁环、共模电感等效果好的感性防护器件；

外接专用的信号保护器消除干扰，如ZF-12Y2；

使用网桥中继设备CANBridge对部分强干扰源进行隔离。

综合上述，汽车CAN总线关闭故障发生时，应分析物理层包括CAN线路、CAN控制器及收发器、CAN信号干扰等外在因素，同时分析CAN寄存器及软件处理，重新初始化CAN驱动和恢复正常后，定时尝试往外发送报文。

CAN/CANFD总线排查利器—CANFDDTU系列

新能源汽车在发送总线关闭情况时，我们也希望能够有对应的CAN报文去分析，尤其是针对偶发性的故障时，我们更需要有可靠的CAN报文来作为判断依据。

下图为广州致远电子有限公司推出的CANFDDTU系列车载CAN(FD)-bus数据记录仪，集成4路相互独立且符合ISO11898标准的CAN-bus通道，支持4G实时通信，可以将CAN FD总线上的数据上传到指定服务器；还支持北斗/GPS定位，实时记录设备位置信息，同时支持车载以太网和LIN总线测试记录，完善车载多总线测试体系，智能的网络传输滤波器可有效减少网络资源占用。标配存储介质为32G高速SD卡（最高支持128G），可以长时间记录CAN FD报文信息，被广泛应用在高铁列车、地铁、风力发电机、自动驾驶车辆等故障检测场合。