德系轿车车载网络故障诊断技术新解(上)
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一、德系轿车诊断技术的最新发展
随着信息、舒适、驾车辅助功能的增加，新一代宝马、大众、奔驰轿车的电控单元越来越多，车载网络系统也越来越复杂，使得故障诊断难度提升，但德系轿车车载网络系统诊断技术具有以下共同点。
1.诊断数据在线传回德国
德系车已实现将在线诊断数据归档到德国中央数据库系统，如大众归口到德国总部沃尔夫斯堡中央数据库。
2.车载网络系统模块化
德系车的车载网络系统按功能和网络传播速度划分为三大功能区域：首要功能区域、次要功能区域、舒适功能区域。首要功能区域指让车辆在路上较容易地到达指定点的所有电控单元组成的区域；次要功能指在车辆行驶过程中，能让驾驶员和乘客通过功能键实现一些便捷调整功能（如音箱系统、室内温度）的所有电控单元组成的区域；舒适功能区域内的电控单元数量则在逐渐递增，如远程信息处理、交流聊天功能、导航功能等；其他有在线诊断监控、优化仪表显示区域。
以大众车为例，其车载CAN网络系统分为驱动CAN、舒适/便捷CAN、信息娱乐CAN、组合仪表CAN、诊断CAN，这些车载网络中的分支区域系统是由网关星形连接在一起，诊断测试仪对电控单元的诊断要通过网关进行间接连接，如图1所示。
3.专用诊断仪诊断图示化
专用诊断仪内诊断界面框架体系与车载网络体系一致，诊断图示化，脉络清晰，如大众诊断系统软件体系ODIS（图2），方框变黑色表示该控制单元已安装，方框变黑且填充红色则表示该电控单元有控制，方框呈灰色则表示车辆未安装该电控单元。
4.更新三个理念
德系车载网络系统故障诊断更新了三个理念：①维护保养不再依赖里程数，而是基于事件服务（CBS），如更换制动蹄片、发动机机油，并将车辆维护信息集成在钥匙中，最终传输到经销店总系统中，为客户提供最优化的服务保养；②实现远程在线匹配，如增减功能或更换电控单元后的系统匹配，保证网络运行的安全；③可将故障诊断数据直接传递到德国总部进一步诊断。
基于事件服务（CBS）就是按需维护，没有标准时间间隔可参照，是通过传感器或电控单元来持续监测主要车辆部件并判断是否需要维护，维护提醒信息则出现在仪表显示屏上，基于事件服务大大延长了维护保养间隔。
二、德系轿车CAN总线故障类型
依据ISO11898-3协议车载网络故障分成电源故障和总线故障两个主要类型。电源故障指车载网络节点本身的电源线或搭铁线断路故障，而CAN总线故障又分为如下类型（图3）：CAN总线（CAN H或CAN_L）对某一控制单元断路故障（故障1和2）、CAN总线（CAN-H或CAN_L）对正极短路故障（故障3和6）、CAN总线（CAN_H或CAN_L）对地短路故障（故障5和4）、CAN总线CAN_H与CAN_L彼此之间短路故障（故障7，CAN总线CAN H和CAN L在某一段信号反向传输故障）、CAN_H和CAN L同时断路故障（故障8）、CAN总线终端电阻断路（故障9）。故障8是不可恢复的，影响总线功能；而故障1～7、9是单线故障且可恢复，不影响总线功能（表1）。在正常工作模式里没有线路故障，差动接收CAN H和CAN L输入信号，也可以用于单线传输，所有的单线传输期间EMC性能抗干扰性和辐射性比差动模式差。
1.单线断路时的局部故障
单线断路故障是局部故障，信息只通过另一根未断线正常传输。该类故障是间歇性症状表现，有时又会显现正常。如图4所示，CAN_H线断路（故障1），第一轮信息传输中，故障在断路点前未呈现故障征兆，在断路点后呈现故障征兆，第二轮信息传输后，症状正好相反。因通信协议ISO 11992-1规定，当节点之间通信中断超时，确认有故障后，节点之间的通信重新通过单线模式进行。出现单线断路故障时，不允许改变数据，还是保留故障信息及故障状态，在未确定出是哪根线受到影响时，各节点将信号在两根网线上重置，直到确定出未响应线为止。这种反复试验确认故障的方法仅适合节点少的条件，在节点增多后，故障查找将变得十分复杂和费时。这种单线断路故障确认模式仅适用于货车和牵引车上的低速CAN，传输速率在1 25kbps。
2.单线短路时的全局故障
单线短路故障是全局故障，故障状态很少改变，呈现静止故障显示。总线通信协议故障管理系统对此限制少，允许改变数据或清除。局部故障优先权高于全局故障，体现在故障管理系统对断路故障容忍度大，而对于全局故障则会尽快恢复。单线CAN H和CAN L对电源短路（故障3和故障6），信号点要超出正常范围，故障易被察觉，故障管理系统将对没受影响的传输线进行初始化。依据SAE J1939/12，这种超出范围比较确认故障的方法适合于短路检测，缺点是需要辅助8V电源，低阻抗终端，且在车辆怠速时检测结果不明显。另外，从短路故障恢复到单线运行模式后，整个系统的电磁兼容性能降低，对搭铁偏置的包容性也降低。
CAN H搭铁短路（故障5）与CAN H断路（故障1）故障现象一样，属于局部故障，而CAN L搭铁（故障4）故障则属于全局故障，检测这类故障常常模棱两可，需要电压除外的辅助数据参照。单线工作模式不适用于高速CAN。
3.双线互短时的全局故障
CAN H和CAN L互短（故障7）时，总线还可工作。
4.双线断路故障
双线断路，总线被隔断，总线不能正常工作。
5.终端电阻断路故障
为了避免信号反射，在2个CAN总线用上分别连接一个120Ω的终端电阻。这两个终端电阻并联，并构成一个60Ω的等效电阻，关闭供电电压后可以在数据线之间测量这个等效电阻，如把便于拆装的控制单元从总线上脱开，然后在插头上测量CAN_H和CAN_L之间的电阻（图5）。单个电阻也可各自分开测量，则应为120Ω。终端电阻断路，依据分布式系统的特点总线还能正常工作，只是终端电控单元无法通信。
6.总线传输受干扰的三种情境
（1）总线信号电压过低，有搭铁倾向，通常低于+/-1V；
（2）泄漏电阻，通常高于5KΩ；
（3）电磁干扰，总线干扰会导致不可恢复的硬故障。
所有单线故障都可以被检测到，故障3、4、6和7可被故障管理系统单独检测出来；故障1、2和5是被容错的，则需要辅助方法才可被检测出来。局部故障现象是暂时的，相关故障信息会变化，而全局故障呈现静态故障信息显示，便于故障位置判断。
三、车载网路的拓扑分析
基于车用即时操作系统OSEK/VDX标准，其网络管理（NM）模块提供了与节点相关（本地）和网络相关（全局）的管理办法，使用逻辑环直接监控节点。在逻辑环内，每个节点都有一个逻辑后继，逻辑环的第一节点是最后一个节点的后继。每个节点都由其他节点动态监控，通信次序与网络结构无关，每个节点都有一个唯一的标识符（ID值），逻辑环信息被从最低ID值的节点向最高ID值的节点顺序传输，再返回最低ID值的节点，形成逻辑环（图6）。任伺节点都必须向其他节点发送信息，并且从其他节点接收信息。画出车载网络系统的拓扑简图（图7），依据逻辑环的功能，进行故障诊断。用诊断仪检测与电控单元1、电控单元2和电控单元3的通信，红色线表示节点间不通信，若出现多个故障码，从网络拓扑图中分析出故障点在电控单元3与总线通信中断。（未完待续）
（作者张葵葵单位：湖南交通职业技术学院；作者程玉光单位：北京交通运输职业学院；作者夏富民单位：湖南水通一汽奥迪4S店）