CAN总线断路、短路及反接故障的现象解析及影响评估

 

本文导读

在实际运行过程中，CAN总线线路可能因多种因素出现故障，其中断路和短路故障较为常见且影响严重。深入了解这两大类故障的现象及对总线的影响，对于快速定位故障、保障系统稳定运行具有重要意义。

 

掌握CAN总线的物理故障现象及对应的波形细节，有助于我们对CAN总线的故障排查，通过ZPS-CANFD的“物理层扰动控制面板”可以模拟CAN总线中以下常见的几种物理故障，然后再结合“DSO控制面板”观察故障后CANH、CANL和CAN差分（CANDIFF）信号的波形细节，进而来评估当前故障对CAN总线通信的影响。

表1 常见物理故障类型

图1  ZPS物理故障模拟面板

 

CAN正常报文和波形

CAN总线主要由一对差分信号线CANH和CANL构成，其电平表达是基于差分信号机制，根据CAN标准规定，CAN差分显性电压识别阈值下限值0.9V、隐性电压识别阈值上限值0.5V，当CAN差分信号符合此条件时表达成对应的显隐性电平。正常时的CANH、CANL和CANDIFF的显、隐性输出电压特点及波形如图 2所示。

表2  CAN显隐性电压参考范围

图2  CAN正常报文和波形
 

 

故障后的现象分析及影响评估
 

假设一个CAN总线上只有两个节点，分别是ZPS、USBCANFD-100U，两个设备间的CANH、CANL、CANGND分别对应连接，然后通过ZPS的“物理层扰动控制面板”功能进行物理故障模拟，最后结合报文接收、DSO控制面板窗口对故障后的现象和影响进行分析。

一、CANH断路

 

 

1. 使能100U发送报文；

 

 

2. 断开CANH，即断开ZPS物理故障模拟面板中“CANH Dis”继电器；

 

 

3. 现象如图 4所示，从波形上看，CANH、CANL在节点发送时同步下拉并异常密集，CANDIFF波形对应电压在0V左右；

 

 

图3 CANH断路故障前后的波形对比

图4  故障后CANH、CANL、CANDIFF波形细节
4. 使能ZPS发送报文，现象如图 5所示，此时受断路故障影响，将导致发送节点（ZPS）的重发机制持续报文发送，但若CAN总线上有多个节点，只断开一个节点不会影响到其它节点间的通信。

图5  CAN总线通信错误

二、CANL断路

 

 

1. 使能100U发送报文；

 

 

2. 断开CANL，即断开“CANL Dis”继电器；

 

 

3. 现象如图 7所示，从波形上看，CANH、CANL在节点发送时同步上拉并异常密集，CANDIFF波形对应电压在0V左右；图6  CANL断路故障前后的波形对比图

图7  故障后CANH、CANL、CANDIFF波形细节

 

4. 使能ZPS发送报文，现象如图 8所示，此时受断路故障影响，将导致发送节点（ZPS）的重发机制持续报文发送，但若CAN总线上有多个节点，只断开一个节点不会影响到其它节点间的通信。

图8  CAN总线通信错误

三、CANH、CANL断路

 

 

1. 使能100U发送报文；

 

 

2. 断开CANH、CANL，即断开“CANH Dis”、“CANL Dis”继电器；

 

 

3. 现象如图 9所示，从波形上看，CANH、CANL波形对应电压均在2.5V左右，所以CANDIFF电压在0V左右；

 

 

图9  故障后CANH、CANL波形细节

 

4. 使能ZPS发送报文，现象如图 8所示，此时受断路故障影响，将导致发送节点（ZPS）的重发机制持续报文发送，但若CAN总线上有多个节点，只断开一个节点不会影响到其它节点间的通信。

四、CANH对电源（12V）短路

 

 

1. 使能100U、ZPS均处于发送报文状态；

 

 

2. 将RH电阻设置为0Ω，然后将继电器拨到+12V端；

 

 

3. 现象如图 10所示，从波形上看，CANH、CANL波形整体被拉高了，细节波形及对应电压如图 11所示；

 

 

CANH显隐性电压被拉高到12V左右；
 

CANL显性电压被拉高到7.5V左右，隐性电压被拉高到12V左右；
 

CANDIFF：隐性电压0V，显性电压3.6V。

 

 

图10 CANH对电源短路故障前后波形对比图

图11 故障后CANH、CANL、CANDIFF波形细节及对应电压

 

4. 因为CANDIFF显隐性电压仍符合CAN理论对显隐性判断的电压范围，所以CAN总线上的所有节点不受故障影响仍能正常通信，如图 12所示。

图12  CAN总线通信正常

五、CANL对电源（12V）短路

 

 

1. 使能100U、ZPS均处于发送报文状态；

 

 

2. 将RL电阻设置为0Ω，然后将继电器拨到+12V端；

 

 

3. 现象如图 13所示，从波形上看，CANH、CANL波形整体被拉高了，细节波形及对应电压如图 14所示；

 

 

CANH显隐性电压被拉高到12V左右；

 

 

CANL显隐性电压被拉高到12V左右；

 

 

CANDIFF显隐性电压均为0V。

 

 

图13  CANL对电源短路故障前后波形对比图

图14  故障后CANH、CANL、CANDIFF波形细节及对应电压

 

4. 受故障影响，CANDIFF的显隐性电压均接近0V，所以CAN总线通信中断。

六、CANH、CANL对电源（12V）短路

 

 

1. 使能100U、ZPS均处于发送报文状态；

 

 

2. 将RH、RL电阻设置为0Ω，然后将对应的两个继电器分别拨到+12V端；

 

 

3. 现象如图 15所示，从波形上看，CANH、CANL波形电压均在12V左右，所以CANDIFF电压接近0V，所以受故障影响，CAN总线通信中断。

 

 

图15故障后CANH、CANL波形细节

七、CANH对地短路

 

 

1. 使能100U、ZPS均处于发送报文状态；

 

 

2. 将RH电阻设置为0Ω，然后将继电器拨到地端；

 

 

3. 现象如图 16所示，从波形上看，CANH、CANL波形整体被拉低了，细节波形及对应电压如图 17所示；

 

 

CANH显隐性电压被拉低到0V左右；

 

 

CANL显隐性电压被拉低到0V左右；

 

 

CANDIFF显隐性电压均为0V。

 

 

图16  CANH对地短路故障前后波形对比图

图17  故障后CANH、CANL、CANDIFF波形细节

4. 受故障影响，CANDIFF的显隐性电压均接近0V，但有毛刺存在影响到CAN通信，导致CAN总线通信异常，如图 18所示。

 

 

图18 CAN通信异常

八、CANL对地短路

 

 

1. 使能100U、ZPS均处于发送报文状态；

 

 

2. 将RL电阻设置为0Ω，然后将继电器拨到地端；

 

 

3. 现象如图 19所示，从波形上看，CANH、CANL波形整体被拉低了，细节波形及对应电压如图 20所示；

 

 

CANH显性电压被拉低到2.5V左右，隐性电压被拉低到0V左右；

 

 

CANL显隐性电压被拉低到0V左右；

 

 

CANDIFF：隐性电压0V，显性电压2.3V。

 

 

图19 CANL对地短路故障前后波形对比图

图20  故障后CANH、CANL、CANDIFF波形细节

4. 因为CANDIFF显隐性电压仍符合CAN理论对显隐性判断的电压范围，所以CAN总线上的所有节点不受故障影响仍能正常通信。

 

九、CANH、CANL对地短路

 

 

1. 使能100U、ZPS均处于发送报文状态；

 

 

2. 将RH、RL电阻设置为0Ω，然后将对应的两个继电器分别拨到地端；

 

 

3. 现象如图 21所示，从波形上看，CANH、CANL波形电压均在0V左右，所以CANDIFF电压接近0V，所以受故障影响，CAN总线通信中断。

图21  故障后CANH、CANL波形细节

 

十、CANH对CANL短路

 

 

1. 使能100U、ZPS均处于发送报文状态；

 

 

2. 将RHL电阻设置为0Ω；

 

 

3. 现象如图 22所示，从波形上看，CANH、CANL波形电压均在2.5V左右，所以CANDIFF电压接近0V，所以受故障影响，CAN总线通信中断。

图22  故障后CANH、CANL波形细节
 

十一、CANH和CANL反接

 

 

1. 使能100U发送报文；

 

 

2. 拨动CAN Ex继电器将CANH和CANL反接；

 

 

3. 现象如图 24所示，CANH、CANL、CANDIFF波形有序但是电平均不在正常范围之内；

图23 CANH和CANL反接故障前后波形对比图

图24  故障后CANH、CANL、CANDIFF波形细节

 

4. 使能ZPS发送报文，现象如图 25所示，此时受反接故障影响，导致CAN总线波形出现高低混乱的现象，进而导致了CAN总线的通信异常，如图 26所示。

图25  故障后CANH、CANL波形细节

图26 CAN总线通信异常