大众POLO CAN数据总线及其检修.docx
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大众POLOCAN数据总线及其检修
目录
引言2
1、车载网络通信系统的应用背景2
2、车载网络的发展史4
3、车载网络的结构与组成4
3.1车载网络的组成5
3.2CAN数据总线的传输原理与过程6
4、CAN总线的特点和优点7
4.1 CANBUS系统组成及性能7
4.2 CANBUS数据链路控制特点8
4.3数据交换原理8
4.4CAN总线的可靠性9
4.5CAN总线的基本特点9
4.6CAN总线与其他总线相比较10
4.7CAN总线的优点11
5、大众POLOCAN数据传输系统的检修11
5.1大众POLO乘用车的CAN数据传输系统的组成12
5.2车载网络系统主要功能13
5.3CAN数据总线驱动装置16
5.4CAN数据总线系统的故障检修18
5.5大众POLO乘用车的CAN总线系统的检修19
5.6故障诊断排除实例—POLO轿车不能起动..20
6、总结21
参考文献23
大众POLOCAN数据总线及其检修
【摘要】车载网络是现代汽车电子技术发展的必然趋势，本文就大众POLO车CAN数据总线的工作原理及其检修作了详细、系统的分析，以便更好的理解新一代汽车电子控制系统。
【关键词】大众POLOCANBUS检修
引言
随着汽车工业日新月异的发展，现代汽车上使用了大量的电子控制装置，许多中高档轿车上采用了十几个甚至二十几个电控单元，而每一个电控单元都需要与相关的多个传感器和执行器发生通讯，并且各控制单元间也需要进行信息交换，如果每项信息都通过各自独立的数据线进行传输，这样会导致电控单元针脚数增加，整个电控系统的线束和插接件也会增加，故障率也会增加等诸多问题。
为了简化线路，提高各电控单元之间的通信速度，降低故障频率，一种新型的数据网络CAN数据总线应运而生。
CAN总线具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强;在自动化电子领域的汽车发动机控制部件、传感器、抗滑系统等应用中，CAN的位速率可高达1Mbps。
同时，它可以廉价地用于交通运载工具电气系统中。
1、车载网络通信系统的应用背景
20世纪90年代以来，汽车上的电控装置越来越多，例如电子燃油喷射装置、防抱死制动装置（ABS）、电动自动变速器、安全气囊装置、电动门窗装置、主动悬架等。
随着集成电路和单片机在汽车上的广泛应用，汽车上的电子控制器的数量越来越多，线路越来越复杂。
如果仍采用常规的布线方式，即电线一端与开关相连，另一端与用电设备相通，将导致汽车上电线数目急剧增加。
目前，一根线束包裹几十根电线的现象很普遍。
在一些高级轿车上，电线的质量占到整车质量的4%左右甚至更高，汽车新技术的发展应用与汽车线束根线及线径急剧增加的矛盾日益突出。
汽车电控系统的增加虽然提高了轿车的动力性、经济性和舒适性，但是汽车电脑与电脑之间进行信息传递时，有几个信号就要有几条信号传输线（信号传输线的接地端可以采用公共回路）。
在最求汽车小型化及实用化的今天，粗大的线束不但占用了汽车上宝贵的空间资源，而且也越来越难以将它安装到隐蔽位置。
最终的结果就是电控单元端子数增加、线路复杂、故障率增多，汽车工作的可靠性降低，并且维修困难。
为了简化线路，提高各电脑之间的通信速度，降低故障频率，CAN数据总线应运而生。
一辆汽车不管有多少块电控单元，不管信息容量有多大，每块电控单元都只需引出两条线共同接在两个节点上，这两条导线就称作数据总线。
以前各电控单元之间好比有许多人骑着自行车来来往往，现在是这些人乘坐公共汽车，公共汽车可以运输大量乘客，故数据总线，亦称BUS线。
正如公路运输需要交通规则来维持正常的动作一样，数据总线也需要信号传递规范。
其中，一种基本的规则是分时。
在这种规则下，数据总线在每一时刻只能被2个部件占用，在2个部件之间传递信号。
由于电信号传播的速度极快，因此数据总线完全可以满足许多部件进行分时信号传递的需要。
在现代轿车的设计中，CAN已经成为必须采用的装置。
由于我国中高级轿车主要以欧洲车型为主，因此欧洲车型应用最广泛的CAN技术，也是国产轿车引进的技术项目。
目前汽车上的网络连接方式主要采用2根CAN总线，一根是用于驱动系统的高速CAN总线，速率达到500Kbit/s,另一根是用于车身系统的低速CAN总线，速率是100Kbit/s。
驱动系统用CAN总线主要连接对象是发动机ECU、ASR及ABSECU、SRSECU、组合仪表等。
它们的基本特征系统，都是控制与汽车行驶直接相关的系统。
车身系统用CAN总线主要连接对象是4门以上的集控锁、电动门窗、后视镜和厢内照明灯等。
有些先进的轿车除了上述2根CAN总线外，还有第3根CAN总线，它主要负责卫星导航及智能通信系统。
数据总线技术引入汽车，对汽车电子技术的发展起到了积极的推进作用并逐渐得到广泛的应用。
2、车载网络的发展史
CANBUS总线技术最早被用于飞机、坦克等武器电子系统的通信网络上。
将这种技术用于民用汽车最早起源于欧洲，在汽车上这种总线网络用于车上各种传感器数据的传递。
从1980年起，汽车内开始装用网络，在1983年，丰田公司在世纪牌汽车上最早采用了应用光缆的车门控制系统，实现了多个节点的连接通信。
此系统采用了集中控制方法，车身ECU对各车门的门锁、电动玻璃窗进行控制，这是早期在汽车上采用的光缆系统，此后，在较长的一段时间里，其他公司并没有跟进采用光缆系统。
1986～1989年间，在车身系统上装用了利用铜线的网络。
1987年，作为集中型控制系统，日产公司的车门相关系统、GM公司的车灯控制系统已经处于批量生产的阶段。
虽说这时的一些系统已经达到了可以正式生产的阶段，但是在这个时期出现了非常重要的事情，对现在来说也是如此：
德国的RobertBosch公司提出了汽车车载局域网（LAN）的基本协议，此协议为众所周之的控制器局域网（ControllerAreaNetwork），简称CAN。
目前控制系统局域网应用最广的标准就是CAN。
接着，美国汽车工程学会（SAE）提出了J1850。
此后日本也提出了各种各样的网络方案，并且丰田、日产、三菱、本田及马自达公司都已经处于批量生产的阶段，但没有统一为以车身系统为主的控制方法。
而在其他国家，特别是欧洲的厂家则采用CAN，同时发表文章介绍采用大型CAN网络的车型。
由于他们在控制系统上都可以采用CAN，从而充分证明了CAN在此领域内的先进性。
在美国，通过采用SAEJ1850普及了数据共享系统，在SAE中也通过了CAN的标准，明确的表示将转向CAN协议。
3、车载网络的结构与组成
3.1车载网络的组成
CAN数据总线由一个控制器，一个收发器，两个数据传输终端以及两条数据传输线组成。
除了数据传输线，其他元件都置于控制单元内部。
控制单元功能不变，如图3.1所示。
图3.1CAN数据总线的组成与结构
1.CAN控制器
CAN控制器是接收控制单元中的微电脑传来的数据，对这些数据进行处理并将其传往CAN收发器。
同样，CAN控制器也接收由CAN收发器传来的数据，对这些数据进行处理并将其传往控制单元中的微电脑。
2．CAN收发器
它将CAN控制器传来的数据转化为电信号将其送入数据传输线。
它也为CAN控制器接收和转发数据。
3．数据传输终端
它是一个电阻器。
它防止数据在线端被反射，以回声的形式返回，这会影响数据的传输。
4．数据传输线
它是双向的，对数据进行传输。
两条线分别被称为CAN高线和CAN低线。
数据传输线为了防止外界电磁波的干扰和向外辐射，CAN总线采用两条线缠绕在一起，如图3.2所示。
图3.2数据传输线
这两条线的电位相反，如果一条是5V，另一条就是0V，始终保持电压总和为一常数。
通过这种办法，CAN数据总线得到了保护而免受外界的电磁场干扰，同时CAN数据总线向外辐射也保特中性，即无辐射。
3.2CAN数据总线的传输原理与过程
CAN数据总线的数据传输原理在很大程度上类似电话会议的方式。
一个用户1控制单元1向网络中“说出”数据，而其他用户“收听”到这些数据。
一些控制单元认为这些数据对它有用，它就接收并且应用这些数据，而其他控制单元也许不会理会这些数据。
故数据总线里的数据并没有指定的接收者，而是被所有的控制单元接收及计算。
1．提供数据
控制单元向CAN控制器提供数据用于传输。
2．发出数据
CAN收发器从CAN控制器处接收数据，将其转化为电信号发出。
这些数据以数据列的形式进行传输，数据列是由一长串二进制（高电平与低电平）数字组成（像0110100100111011）。
数据列包括开始区、状态区、检验区、数据区、安全区、确认区、结束区。
其各个区的作用如下:
1）开始区
标志数据列的开始。
2）状态区
确认数据列的优先级别。
如果两个控制单元想在同时发出其数据列，优先级较高的数据列先传输（控制单元的程序设置好的），像CAN驱动装置数据总线系统优先级依次为ABS/EDL控制单元、发动机控制单元、自动变速器控制单元。
3）检验区
显示数据区中包含的数据数目。
该区可以让接收者检验其是否收到传输来的全部信息。
4）数据区
传给其他控制单元的信息，其大小由总线的宽度决定。
5）安全区
检验传输错误。
6）确认区
接收者发给发送者的信号，用来告知已正确的收到数据列。
若有错误被检验到，则接收者迅速通知发送者。
这样发送者将再次发出该数据列。
7）结束区
标志数据列的结束。
这是显示错误以得到重新发送的最后可能区域。
3．接收数据
所有与CAN数据总线一起构成网络的控制单元成为接收器。
4．检验数据
控制单元对接收到的数据进行检测，看是否是其功能所需。
5．认可数据
如果所接收的数据是重要的，它将被认可及处理，反之将其忽略。
4、CAN总线的特点和优点
4.1 CANBUS系统组成及性能
CANBUS系统通过相应的CAN接口连接工业设备（如限位开关、光电传感器、管道阀门、电机启动器、过程传感器、变频器、显示板、PLC和PCI作站等）构成低成本网络。
直接连接不仅提供了设备级故障诊断方法，而且提高了通信效率和设备的互换性。
CANBUS数据传输速率为1Mbit/s，线路距离lkm，基本站点数64，传输媒体是屏蔽双绞线或光纤。
4.2 CANBUS数据链路控制特点
CANBUS数据链路层协议采用平等式（Peertopeer）通信方式，即使主机出现故障，系统其余部分仍可运行（当然性能受一定影响）。
当一个站点状态改变时，它可广播发送信息到所有站点。
CANBUS的信息传输通过报文进行，报文帧有4种类型：
数据帧、远程帧、出错帧和超载帧。
CAN-BUS帧的数据场较短，小于8B，数据长度在控制场中给出。
短帧发送一方面降低了报文出错率，同时也有利于减少其他站点的发送延迟时间。
帧发送的确认由发送站与接收站共同完成，发送站发出的ACK场包含两个“空闲”位（recessivebit），接收站在收到正确的CRC场后，立即发送一个“占有”位（dominantbit），给发送站一个确认的回答。
CAN-BUS还提供很强的错误处理能力，可区分位错误、填充错误、CRC错误、形式错误和应答错误等。
CANBUS应用一种面向位型的损伤仲裁方法来解决媒体多路访问带来的冲突问题。
其仲裁过程是：
当总线空闲时，线路表现为“闲置”电平（recessivelevel），此时任何站均可发送报文。
发送站发出的帧起始字段产生一个“占有”电平（dominantlevel），标志发送开始。
所有站以首先开始发送站的帧起始前沿来同步。
若有多个站同时发送，那么在发送的仲裁场进行逐位比较。
仲裁场包含标识符ID（标准为llbit），对应其优先级。
每个站在发送仲裁场时，将发送位与线路电平比较，若相同则发送；若不同则得知优先级低而退出仲裁,不再发送。
系统响应时间与站点数无关，只取决于安排的优先权。
可以看出，这种媒体访问控制方式不像Ethetnet的CSMA/CDCA协议那样会造成数据与信道带宽受损。
4.3数据交换原理
CAN是一种基于广播的通讯机制，广播通讯依靠报文的传送机制来实现，因此CAN并未定义站及站地址，而仅仅定义了报文，这些报文依靠报文确认区来进行识别，一个消息报文确认区在一个网络中必须是唯一的，它不但描述了某一报文的意义，而且还定义了报文的优先级，当很多站都在访问总线时，优先级是很重要的，因此，CAN是通过报文的确认区来决定报文的优先级的。
CAN使用地址访问的方法，使网络系统的配置变得非常灵活，用户很容易可以增加一个新的站到一个已经存在CAN网络里，而不用对已经存在的站进行任何硬件或软件上的修改，但必须此新增的站为完全的接收者，这样它将不会对网络上各节点的通讯产生影响。
4.4CAN总线的可靠性
为防止汽车在使用寿命期内由于数据交换错误而对司机造成危险，汽车的安全系统要求数据传输具有较高的安全性。
如果数据传输的可靠性足够高，或者残留下来的数据错误足够低的话，这一目标不难实现。
从总线系统数据的角度看，可靠性可以理解为，对传输过程产生的数据错误的识别能力。
残余数据错误的概率可以通过对数据传输可靠性的统计测量获得。
它描述了传送数据被破坏和这种破坏不能被探测出来的概率。
残余数据错误概率必须非常小,使其在系统整个寿命周期内,按平均统计时几乎检测不到。
计算残余错误概率要求能够对数据错误进行分类,并且数据传输路径可由一模型描述。
如果要确定CAN的残余错误概率,我们可将残留错误的概率作为具有80～90位的报文传送时位错误概率的函数,并假定这个系统中有5～10个站,并且错误率为1/1000,那么最大位错误概率为10—13数量级。
例如,CAN网络的数据传输率最大为1Mbps,如果数据传输能力仅使用50%,那么对于一个工作寿命4000小时、平均报文长度为80位的系统,所传送的数据总量为9×1010。
在系统运行寿命期内,不可检测的传输错误的统计平均小于10—2量级。
换句话说,一个系统按每年365天,每天工作8小时,每秒错误率为0.7计算,那么按统计平均,每1000年才会发生一个不可检测的错误。
4.5CAN总线的基本特点
（1）废除传统的站地址编码，代之以对通信数据块进行编码，可以多主方式工作；
（2）采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络上传递数据时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响继续传输数据，有效避免了总线冲突；
（3）采用短帧发送，每一帧的有效字节数为8个，数据传输时间短，受干扰的概率低，重新发送的时间短；
（4）每帧数据都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据传输的高可靠性，适于在高干扰环境下使用；
（5）节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上其他操作不受影响；
（6）可以点对点，一对多及广播集中方式传送和接受数据。
4.6CAN总线与其他总线相比较
①．它是一种多主总线，即每个节点机均可成为主机，且节点机之间也可进行通信；
②．通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1Mbps；
③．CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余校验、优先级判别等项工作；
④．CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。
采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成,因此可以定义211或229个不同的数据块,这种按数据块编码的方式,还可使不同的节点同时接受到相同的数据,这一点在分步式控制中非常重要；
⑤．数据段长度最多为8个字节,可满足通常工业领域中控制命令,工作状态及测试数据的一般要求。
同时，8个字节不会占用总线时间过长,从而保证了通信的实时性；
⑥．CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能,保证了数据通信的可靠性
⑦．CAN总线所具有的卓越性能、极高的可靠性和独特设计,特别适合工业设备测控单元连。
因此CAN-BUS总线成为倍受工业界的重视,并已公认为最有前途的现场总线之一。
CAN协议是一个被定义为ISO11898的国际标准，除了CAN协议本身外，CAN协议的一致性测试也被定义为ISO16845标准，它描述了CAN芯片的互换性。
4.7CAN总线的优点
1、如果数据扩展以增加新的信息，只需升级软件即可；
2、控制单元对所传输的信息进行实时监测，监测到故障后存储故障码；
3、使用小型控制单元及小型控制单元插孔可节省空间；
4、使传感器信号线减至最少，控制单元间可做到高速数据传输；
5、CAN数据总线符合国家标准，因此可应用不同型号控制单元间的数据传输
6、具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点；
7、线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作；
8、具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过CAN控制器挂到CANBUS上，形成多主机局部网络；
9、可根据报文的ID决定接受或屏蔽该报文；
10、可靠的错误处理和检错机制；
11、发送的信息遭到破坏后，可自动重发；
12、节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能；
13、报文不包含原地址或目标地址，仅用标识符来指示功能信息、优先级信息。
5、大众POLOCAN数据传输系统的检修
概述：
POLO是上海大众汽车公司2002年下线的新款乘用车。
为了能有效的进行车辆的负荷管理，更加有效地实现车内灯控制和燃油供给控制等功能，该车上装有车载网络系统，承担以前一直由单独的继电器和控制单元所执行的功能，使车辆的整体性能大大提高。
POLO轿车CAN总线连接形式如图5.1。
图5.1POLO轿车CAN总线的连接形式
5.1大众POLO乘用车的CAN数据传输系统的组成
大众POLO乘用车的CAN数据传输系统由舒适性控制CAN总线、动力控制CAN总线、车载网络控制和网关等部分组成。
（1）舒适性控制CAN总线
舒适性控制CAN总线系统由车载网络控制单元J559、数据总线的诊断接口J553、电控系统控制单元J255、空调控制单元J301、舒适性系统的中央控制单元J393、驾驶侧车门控制单元J386、前乘客侧车门控制单元J387、左后右后车门控制单元J388、J389、无线电及导航控制单元组成。
其数据传递速率较动力控制系统低，以100kb/s速率传递数据。
（2）动力CAN数据总线
CAN数据传输系统由车载网络控制单元J559、数据总线的诊断接口J533、仪表板控制单元J285以及发动机控制单元、自动变速器控制单元、ABS控制单元、安全气囊控制单元、转向辅助控制单元等组成。
（3）车载网络控制系统
车载网络系统通过控制单元对车辆各种信号进行监测，根椐设定的程序对燃油泵继电器、车内灯光等执行元件进行控制。
（4）网关
网关就是同时连接多种不同数据传递速率的CAN数据总线的电脑，在传递数据时起翻译的作用。
也就是说网关将不同速率的数据进行格式转换,变成满足CAN网络要求的数据，放在CAN网络上。
大众POLO乘用车的网关电脑与仪表电脑安装在一起。
5.2车载网络系统主要功能
（1）负荷管理
在行驶中，大量舒适性装备和电热器，如座椅加热装置、后窗加热装置，外后视镜加热装置等会引起发动机过载，进而导致发动机放电。
这种情况在距离极短的短途行车和冬季行驶，以及时停时走和附属装备过多的车辆中表现的特别明显。
考虑到短时间用电器的电流需求，车载网络系统控制单元的负荷管理系统定期监控蓄电池电压。
如果控制单元识别到车载网络系统中电压低于12.2V时，车载网络系统控制单元将会提高发动机怠速转速，关闭座椅加热装置、后窗加热装置和外后视镜加热装置等，同时降低空调压缩机的功率，以保持车辆行驶能力并确保其重新起动能力;当车载网络系统电压高于12.7V时，控制单元将会降低发动机怠速转速，重新接通后窗加热装置、座椅加热装置和外后视镜加热装置等，并提高空调压缩机功率。
（2）车内灯控制
①如果前部和后部车内灯都位于车门触点位置。
通过车载网络系统控制单元J519可以确保在车辆停止而车门未关闭状态下，车内灯10分钟后自动关闭，这样可以避免蓄电池不必要放电。
②如果解除车辆遥控门锁（门打开）或拔出点火钥匙，30秒后车内灯会自动接通；在车辆遥控门锁起作用（门关闭）或打开点火开关内灯立即自动关闭。
③车内灯在撞车时自动接通。
④在点火开关关闭约30分钟后，自动关闭由手动打开的灯（车内灯、阅读灯、化妆灯和行李箱照明灯等）。
该功能同样有利于保持蓄电池电量。
（3）燃油供给控制
POLO2002中汽油发动机有一个新的燃油供给控制装置，用燃油泵继电器J17和燃油供给继电器J643并联来代替单个集成防撞燃油关闭装置的燃油继电器。
这2个继电器位于车载网络系统控制单元J519上的继电器托架上。
当驾驶员打开驾驶员侧车门后，车门触点开关将信号发送到车载网络系统控制单元。
接着车载网络系统控制单元控制燃油继电器J643，并使燃油泵G6运行大约2秒。
打开点火开关或起动发动机后，燃油泵G6通过燃油泵继电器J17由发动机控制单元控制。
其工作方式为：
a.打开驾驶员席侧后车门后，车门角触点开关（或中控门锁的关闭单元）将信号发送到车载网络系统控制单元，接着车载网络系统控制单元控制燃油供给继电器，并使燃油泵运行大约2秒。
b.当驾驶员侧车门短暂开启时，车载网络系统控制单元通过其定时开关切断燃油泵继电器，燃油泵停止运作。
c.如果驾驶员侧车门开启超过30分钟，车载网络系统控制单元通过其定时控制装置使得燃油泵重新受控。
d.当打开点火开关或起动发动机后，燃油泵通过燃油继电器由发动机控制单元控制。
（4）接通后风窗玻璃刮水器
当后风窗玻璃刮水器刮片位于1档、2档或间歇档时，如果将车辆挂入倒挡，侧后风窗玻璃刮水器会自动刮水一次，以使驾驶员能看清车后的物体和路面。
（5）控制前风窗玻璃刮水器锁止装置
当前风窗玻璃刮水器已接通间歇档（取决车速的间歇运行模式或下雨运行模式），发动机盖打开时，反映此状况的信号将从发动机盖接触开关发送至车载网络系统控制单元，控制单元将阻止前风窗玻璃刮水器运动，直至发动机盖再次关闭。
该功能对提高车辆使用安全性有利。
（6）控制外后视镜和后窗加热装置
该功能用以保证车辆外后视镜和后窗加热装置只有在发动机运转时才能接通，并且在接通20分钟后，加热装置自动关闭。
该功能是为了保持蓄电池的电量。
（7）后座椅靠背监控
后排座椅中间位置配有三点式安全带的车辆具有后座靠背监控功能。
如果后排座椅中间位置的靠背部分安装不正确，在打开点火开关后，仪表板中的靠背连接装置，指示灯会亮起约20秒，提醒驾驶员和乘坐人员对之进行调整。
（8）转向信号和报警灯控制
车载网络系统控制单元对信号和报警灯可以实现如下控制功能：
①转向灯闪烁（左、右转向）。
②当接通报警灯时或撞车时报警灯闪烁报警。
③当触动防盗报警装置时闪烁。
④打开或关闭中控门锁时闪烁。
（9）编码
车辆的装备范围和国家规格决定了车载网络系统单元的编码。
编码由厂方进行，如果在售后服务或维修时装备被更改，例如安装可加热式座椅或更换新的控制单元，必须重新编码。
5.3CAN数据总线驱动装置
POLO的CAN数据总线系统，由CAN驱动装置数据总线系统和CAN舒适模式数据总线系统组成。
它们的区别在于传输的数据内容不同。
CAN驱动装置数据总线系统以500KB/s的传输速度工作，以使在对安全较重要的系统内部能进行快速的数据传输。
它由车载网络系统的控制单元、带有用于数据总线的诊断接口J533（网关）、转向角传感器G85、控制单元J285（在仪表板上有显示单元）、ABS控制单元J104、自动变速器
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