随着汽车电子技术的不断发展,汽车上电子控制单元的数目越来越多,导致线束飞速增加,大量增加的线束又阻碍了汽车性能的进一步提高,因而为了合理地解决上述问题,提高各控制单元间通讯可靠性,降低导线的成本,就出现了的汽车网络通信技术,CAN总线就是其中的一种较为流行的汽车通讯网络。CAN(控制器区域网络)总线是一个车辆多路通信系统,它是为解决现代汽车中众多的控制单元与测试仪器之间的数据交换开发的实时控制的串行通讯网络。由于CAN总线技术的应用大大减少了线束的数量和控制器接口的引脚数,使汽车控制系统的数据传输高速化,使控制系统更简单可靠,可以实现在线编程和在线诊断,所以在汽车电子上的应用也越来越广泛。因此,掌握CAN总线系统基本技术也更加必要,本文以一汽大众奥迪A4-B6为例来探讨CAN总线系统的结构和检修过程。
一、CAN总线系统的优势介绍
CAN属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络[4]。较之许多RS-485基于R线构建的分布式控制系统而言，基于CAN总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性：
1、网络各节点之间的数据通信实时性强
首先，CAN控制器工作于多种方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先权(取决于报文标识符)采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，且CAN协议废除了站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据，这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和系统的灵活性。而利用RS-485只能构成主从式结构系统，通信方式也只能以主站轮询的方式进行，系统的实时性、可靠性较差。
2、缩短了开发周期
CAN总线通过CAN收发器接口芯片82C250的两个输出端CAN-H和CAN-L与物理总线相连，而CAN-H端的状态只能是高电平或悬浮状态，CAN-L端只能是低电平或悬浮状态。这就保证不会在出现在RS-485网络中的现象，即当系统有错误，出现多节点同时向总线发送数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些节点的现象。而且CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，从而保证不会出现象在网络中，因个别节点出现问题，使得总线处于“死锁”状态。而且，CAN具有的完善的通信协议可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现，从而大大降低系统开发难度，缩短了开发周期，这些是仅有电气协议的RS-485所无法比拟的。
3、已形成国际标准的现场总线
另外，与其它现场总线比较而言，CAN总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线。这些也是CAN总线应用于众多领域，具有强劲的市场竞争力的重要原因。
4、最有前途的现场总线之一
CAN 即控制器局域网络，属于工业现场总线的范畴。与一般的通信总线相比,CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。由于其良好的性能及独特的设计，CAN总线越来越受到人们的重视。它在汽车领域上的应用是最广泛的，世界上一些著名的汽车制造厂商，如BENZ(奔驰)、BMW(宝马)、PORSCHE(保时捷)、ROLLS-ROYCE(劳斯莱斯)和JAGUAR(美洲豹)等都采用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。同时，由于CAN总线本身的特点，其应用范围已不再局限于汽车行业，而向自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。CAN已经形成国际标准，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。其典型的应用协议有：SAE J1939/ISO11783、CANOpen、CANaerospace、DeviceNet、NMEA 2000等。
二、CAN总线系统的结构
1、CAN 通信系统的物理结构[3]
CAN总线系统通过CAN-H和CAN-L总线配对,根据两线的电压差进行通信,汽车上各电控单元的ECU和传感器通过CAN-H总线CAN-L总线来实现信息共享和相互通讯。CAN总线系统的物理结构主要包括4部分,分别是主总线、支线、CAN接线连接器和终端电阻。
（1）主总线
主总线是总线(通信线路)上介于两个终端电阻器之间的线束。
（2支线
支线是从主总线分离出来通往ECU或传感器的线束。
（3）CAN接线连接器
是为连接 CAN-bus系统而设计,它可以非常方便地连接到CAN-bus通讯电缆的输入和输出。
（4）终端电阻
在 CAN主总线的末端并联安装有两个120Ω 的电阻器,这些 电阻器使CAN总线之间的电压差能够得到精确的测定。为使 CAN通信能够正常工作,两个终端电阻器必须安装妥当。由于两个电阻器是并联安装,两条 CAN总线间的电阻接近 60Ω 。
2、CAN 通信系统的系统结构
一汽大众奥迪A4-B6采用了两种不同类型的CAN总线,它是根据通信速度的大小来划分的,这两种总线分别为HS-CAN总线和MS-CAN总线。HS-CAN总线被称为是CAN1号总线,通信速度大约为500kbps,它连接的电控单元主要有主车身ECU、转向角传感器、动力转向ECU、防滑控制ECU、DLC3、横摆率传感器、中央气囊传感器总成、电视摄像机ECU、空调放大器、组合仪表和ECM。其中,CAN1号总线的终端电阻器位于综合仪表和ECM中。具体结构示意图参见图1。

MS-CAN总线被称为MS总线,为中等速度通信总线,通信速度大约为250kbps,用于车身电气通信,它连接的电控单元主要包括主车身ECU、背门ECU和认证ECU。MS-CAN总线的终端电阻器分别位于主车身ECU和认证ECU中。具体结构示意图参见图2。

这些网络之间的通信由主车身ECU进行处理,主车身ECU起网关的作用。
三、奥迪A4-B6轿车CAN总线的特点
1、动力总线系统[2]
动力总线系统由与车辆驱动、行驶及安全相关的系统构成，在Audi A4-B6车上，参与动力总线的控制单元有：发动机（J220）、组合仪表（J285）、变速器（J217）、ESP（J104,包括ABS、EBV、EDS、ASR和BAS等）、气囊（J234）、转向柱控制单元（J527），因此动力总线在整车电控系统中具有举足轻重的作用，它的传输速率是最快的，一般情况下以500kbit/s的速率进行数据传递，最高可达1000kbit/s。当两条CAN总线（CAN-High和CAN-Low）其中一条线断路时，则整个动力总线系统将无法正常工作，即不能进行单线传输，只有CAN-Low线出现对地断路时还能正常工作。动力总线线芯粗为0.35平方毫米（表示横截面积，在Audi A8 D3 上为0.5平方毫米）颜色分别为：CAN-High为桔黑色，CAN-Low为桔棕色，二者缠绕在一起，在导线中比较明显，易于识别。在系统内各个控制单元之间采用中央线束连接，即星形接法。这样当控制单元损坏或通往某控制单元的导线断路时，不会影响其它控制单元进行信息交流，但如果发动机或仪表中断时，发动机将无法正常起动，因为防盗器装在仪表里。动力总线的中央接点在左侧A柱处，舒适总线和信息娱乐总线的接点却在右侧A柱处（三者都为星形连接），需特别注意的是，CAN总线的接点不能打开，否则会导致系统无法正常工作。
2、舒适总线和信息娱乐总线
舒适总线和信息娱乐总线有着共同的特点，而且与动力总线又有明显的区别具体表现在以下几方面：
（1）传递信息的速率较低，均为100kbit/s。由于两种总线系统中传递的信息量较小，而且重要性不是非常大，所以对信息的传递速率要求不高。
（2）都可以单线运行。舒适的信息娱乐总线都设有终端电阻（动力总线有），它们有分散的电阻，位于系统内的各个控制单元中，而且具有不同的阻值（560Ω或5.6Ω），因此当CAN-High或CAN-Low线出故障时，总线还具有正常的功能。
（3）具有“睡眠模式”。为了节省电能和当总线中某控制单元出现故障时不致于使蓄电池亏电，所以对二者设有睡眠模式。当系统处于睡眠模式时，CAN-High线上的电压为0V，CAN-Low线上的电压为12V，而且警报灯开关上的照明灯熄灭。只有关闭点火开关（30秒），才可进入睡眠模式，但防盗、遥控、状态LED都起作用，一旦开门，则睡眠模式解除。
（4）舒适总线和信息娱乐总线的颜色不同。舒适总线的CAN-High线为桔绿色。信息娱乐总线CAN-High线的为桔紫色，二者的CAN-Low线也都为桔棕色，导线粗细为0.35平方毫米。
3、网络适配器Gateway 
网络适配器安装在组合仪表内，由于几种数据总线的传输速率不同，所以系统之间不能直接进行数据交换。而事实上，在车辆处于正常工作状态时，不同的总线系统之间是需要有信息交流的，如发动机（动力总线）与空调系统（舒适总线）系统之间就有信息交流，发动机控制单元会将节气门开度、水温、转速等信号传给空调控制单元，而空调控制单元需将压缩机工作状态传递给发动机控制单元。为了解决此问题，特设置了网络适配器，即Gateway，它能把各种总线系统的传输速度转换成一个中间频率，从而使所有连接在CAN总线上的控制单元之间都能进行信息交流，则整车的CAN总线系统就形成了一个有机的整体。如图2所示。在Audi A4-B6车型上，Gateway只起到交换各种总线信息的作用，这种Gateway称为数据Gateway,而在Bora车型上，Gateway除起到交换信息的作用外，还能在不改变数据的前提下，将动力总线、舒适总线和娱乐总线上的自诊断信息传递到K线上，这样可以使系统进行自诊断的速度加快。
3、网络适配器Gateway的适配
当更换某条CAN总线上的某个控制单元后，需进行该条CAN总线的适配，其目的在于使Gateway认识此新的控制单元并对其进行数据转换，否则该控制单元将不能参与CAN总线。每条CAN总线的每个控制单元都有一个固定的代码数值，当适配时，需将整条CAN总线上所有控制单元的代码数值加起来，输入总和数值到适当的通道，则该CAN总线适配成功，如果去掉某一控制单元的数值，则该控制单元无法参与CAN总线。如果更换了组合仪表，由于Gateway安装在组合仪表里，所以三条CAN总线都需进行适配，比较例外的是安全气囊控制单元，它不用编码，即不在适配范围之内，直接更换即可。
(1)动力总线的适配
用VAG1551或VAS5051进入地址码“17”（仪表），然后选择“10”功能（适配），进入“060”通道，输入相应数值后“确认”即可，各单元数值为：发动机－1，变速箱－2，ESP－4，组合仪表－1024，如果该车是手动变速箱，则适配时应输入“1209”
(2)舒适总线的适配
进入“061”通道输入相应的值，各控制单元代码数值分别为：汽车控制单元－1，舒适系统控制单元－2，组合仪表－256，转向柱控制单元－1024，空调系统－2048，驻车加热－32768。
(3)信息娱乐总线的适配
进入“062”通道，各控制单元代码数值分别为：收音机－1，电话－2，电子导航－4，组合仪表－16。
四、CAN总线系统的故障排除
一汽大众奥迪A4-B6的CAN总线的故障排除,使 用智能监测仪 来检查 CAN通信系统的DTC。故障排出的步骤主要包括以下几个方面[1]。
1、检查蓄电池电压
蓄电池电压标准电压为11V～14V,如果 电 压 低 于11V,在继续操作前,对蓄电池再充电或更换蓄电池。
2、检查和清除DTC
当通信线路存在短路或断路时,均输出CAN通信DTC;任何与相应ECU或传感器的电源相关的故障,或者ECU和传感器本身的故障,都会输出DTC。因此在检修CAN总线时,首先要检查和清除DTC。
3、检查DLC3支线和CAN1号总线支线(CAN-H-CAN-L)
测量时,将点火开关置于OFF位置,检查并确认钥匙提醒警告系统和车灯提醒警告系统未处于工作状态,使车辆保持这种状态至少1分钟,然后测量CAN主线和CAN支线之间的电阻值。如果测得的电阻值大于70Ω或更大,有可能存在断路问题;如果测得的电阻值小于54Ω,有可能存在短路问题。
4、检查CAN总线是否对搭铁短路(CAN-H,CAN-L-CG)
如果DL3的6端子(CAN-H)和4端子(CG)或14端子(CAN-L)和4端子(CG)之间没有电阻,则CAN总线和搭铁之间可能存在短路。
5、检查CAN总线是否对+B短路(CAN-H,CAN-L-BAT)
断开蓄电池负极端子,测量CAN-H与+BAT或CANL与+BAT相应端子的电阻值,如果测得的电阻值很小,则CAN总线和+B之间可能存在短路。需检查CAN中央接线连接器、组合仪表主线、CAN右侧接线连接器、ECM主线和各个ECU传感器等支线。
6、检查连接至CAN总线的各ECU
利用智能检测仪的总线检测,选择“CommunicationBus”,可以检查ECU和传
感器的工作状况。
7、CAN总线检修应注意的问题
如果CAN-BUS导线有破损或断路需接线时,要求每段接线应小50mm,每相邻两段接线之间至少为100mm;如果需要在中央接点处维修,则严禁打开接点,只允许在距接点100mm以外断开导线;另外,每条CAN-BUS导线长度不应超过5m,否则导线所传输的脉冲信号会失真。CAN-BUS导线进行焊接维修后,要用绝缘胶带缠绕维修部位。在安装时,必须始终将CAN-L总线和CAN-H总线安装在一起,确保它们扭绞在一起,否则易受到电磁干扰。CAN-L总线和CAN-H总线之间的长度之差应为100mm或更小;在连接器周围使绞线留出约80mm的松弛长度,防止在车辆振动时由于线紧拽动插头而使插头松动。在CAN线连接器之间不要使用旁通线束。如果使用旁通线束,扭绞的总线将失去抗干扰的能力。
五、结语
随着CAN总线在汽车电子上的广泛应用,掌握CAN总线的系统结构以及检修技能是非常必要的,并且在将来的汽车电器维修中居于非常重要的地位。