CN105319474B - 用于控制器局域网络中的短路故障检测的方法和装置 - Google Patents

用于控制器局域网络中的短路故障检测的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于控制器局域网络中的短路故障检测的方法和装置。一种控制器局域网络(CAN)包括CAN总线，该CAN总线具有CAN‑H线路、CAN‑L线路及位于CAN总线的相对端部的一对CAN总线端子。上述CAN还包括多个节点，该节点包括控制器，其中至少一个控制器是监测控制器。该监测控制器包括用于检测CAN总线中的线路短路故障及其位置的CAN监测程序。

Description

用于控制器局域网络中的短路故障检测的方法和装置
相关申请的交叉引用
本申请主张2014年5月27日提交的申请号为NO.62/003,314的美国临时申请的权益，其通过参考并入本文中。
技术领域
本发明涉及用于控制器局域网络中的通信的故障隔离。
背景技术
在本部分中的叙述仅提供与本发明相关的背景信息。因而，这样的叙述不是意在构成承认是现有技术。
车辆系统包括多个子系统，举例说明包括发动机、变速器、车座/操纵部、制动器、HVAC以及乘员保护。可以使用多个控制器来监测和控制子系统的操作。控制器可以构造为经由控制器局域网络络(CAN)进行通信，以响应于操作者指令、车辆操作状态以及外部条件协调车辆的操作。在其中一个控制器中可能发生故障，故障经由CAN总线影响通信。
网络例如CAN的拓扑是指网络元件之间的连接布置，并且优选地包括具有互连或分散的电源、接地或通信链路的多个节点。物理拓扑描述的是包括链路和节点的物理元件的布置或布局，其中节点包括控制器和其他连接设备，并且链路包括适当的电缆、线路、印制线路板(PWB)、印制电路板(PCB)、柔性带等形式的电源、接地或者通信链路。逻辑拓扑描述的是采用电源、接地或通信链路的节点之间的网络内的数据消息流、电源或接地。已知的CAN系统采用总线拓扑，用于所有控制器之间的通信连接，其可以包括线性拓扑、星型拓扑、或者星型拓扑和线性拓扑的组合。已知的高速CAN系统采用线性和星型拓扑，而已知的低速CAN系统采用星型拓扑和线性拓扑的组合。已知的CAN系统对所有控制器采用电源线和地线的分离的电源和接地拓扑。已知的控制器通过在不同周期在CAN总线上发送的消息互相通信。
已知的系统在消息接收控制器处检测故障，其中在控制器的交互作用层处使用信号监督和信号暂停监测来完成对消息的故障检测。故障可以报告为通信丢失，例如通信数据消息的丢失。这种检测系统一般不能识别和定位导致故障的根源，而且也不能区分瞬时故障和间歇故障。
发明内容
一种控制器局域网络(CAN)包括CAN总线，该CAN总线具有CAN-H线路、CAN-L线路及位于CAN总线的相对端部的一对CAN总线端子。上述CAN还包括多个节点，该节点包括控制器，其中至少一个控制器是监测控制器。该监测控制器包括用于检测CAN总线中的线路短路故障及其位置的CAN监测程序。
1、一种控制器局域网络(CAN)，包括：
CAN总线，包括CAN-H线路和CAN-L线路；
一对CAN总线端子，位于所述CAN总线的相对端部，每个端子具有对应的已知端子电阻值；
多个节点，包括控制器，其中所述控制器中的至少一个包括监测控制器；并且
所述监测控制器包括CAN监测程序，
包括下列步骤：
检测所述CAN总线中的线路短路故障；和
确定所述CAN总线中的所述线路短路故障的位置。
2、如方案1中所述的控制器局域网络(CAN)，其中检测所述CAN总线中的线路短路故障的步骤包括以下步骤：
测量CAN总线电流所通过的已知电阻上的第一电压；
测量所述CAN-H线路和所述CAN-L线路之间的第二电压；以及
基于所述第一电压和第二电压检测所述CAN总线中的线路短路故障。
3、如方案1中所述的控制器局域网络(CAN)，其中确定所述CAN总线中的所述线路短路故障的位置的步骤包括以下步骤：
测量CAN总线电流所通过的已知电阻上的第一电压；
测量所述CAN-H线路和所述CAN-L线路之间的第二电压；
将CAN总线电阻确定为所述第一电压、所述第二电压及所述已知电阻的函数；以及
参考将CAN总线位置与所述CAN总线电阻相关联的预定表格。
4、如方案2中所述的控制器局域网络(CAN)，其中确定所述CAN总线中的所述线路短路故障的位置的步骤包括以下步骤：
将CAN总线电阻确定为所述第一电压、所述第二电压及所述已知电阻的函数；以及
参考将CAN总线位置与所述CAN总线电阻相关联的预定表格。
5、如方案2中所述的控制器局域网络(CAN)，其中测量所述第一电压和第二电压的步骤包括过滤电压。
6、如方案1中所述的控制器局域网络(CAN)，其中检测所述CAN总线中的线路短路故障并且确定所述CAN总线中的所述线路短路故障的位置包括以下步骤：
测量CAN总线电流所通过的已知电阻上的第一电压；
测量所述CAN-H线路和所述CAN-L线路之间的第二电压；
基于所述第一电压和第二电压检测所述CAN总线中的线路短路故障；
将CAN总线电阻确定为所述第一电压、所述第二电压及所述已知电阻的函数；以及
参考将CAN总线位置与所述CAN总线电阻相关联的预定表格。
7、如方案2中所述的控制器局域网络(CAN)，其中基于所述第一电压和第二电压检测所述CAN总线中的线路短路故障的步骤包括确定所述第一电压和第二电压处于预定范围之外。
8、一种控制器局域网络(CAN)，包括：
CAN总线，包括CAN-H线路和CAN-L线路；
一对CAN总线端子，位于CAN总线的相对端部，每个端子具有对应的已知端子电阻值；
多个节点，包括控制器，其中所述控制器中的至少一个包括监测控制器；并且
所述监测控制器包括CAN监测程序，
包括下列步骤：
测量CAN总线电流所通过的已知电阻上的第一电压；
测量所述CAN-H线路和所述CAN-L线路之间的第二电压；
当所述第一电压和第二电压处于预定范围之外时，检测所述CAN总线中的线路短路故障；
将CAN总线电阻确定为所述第一电压、所述第二电压及所述已知电阻的函数；以及
通过参考将CAN总线位置与所述CAN总线电阻相关联的预定表格，来定位所述线路短路故障。
附图说明
现在将参考附图举例描述一个或多个实施例，其中：
图1示出了根据本发明的包括具有CAN总线和多个节点例如控制器的控制器局域网络络(CAN)的车辆；
图2示出了根据本发明的与图1的CAN相似的集成控制器局域网络，包括双线制CAN总线、多个节点(例如控制器)以及监测控制器；以及
图3示出了根据本发明的用于检测和隔离CAN中的故障的示例性CAN监测程序。
具体实施方式
现在参考附图，其中附图仅是为了示出某些示例性实施例，而不是为了限制本发明，图1示意地示出了包括控制器局域网络(CAN)50的车辆8，控制器局域网络(CAN)50包括CAN总线15和多个节点，即，控制器10、20、30和40。术语“节点”是指信号地连接到CAN总线15并且能够通过CAN总线15发送、接收或转发信息的任何有源电子设备。每个控制器10、20、30和40信号地连接到CAN总线15并且电连接到电力网60和接地网70。每个控制器10、20、30和40包括电子控制器或者其他车载设备，其构造为监测或控制车辆8的子系统的操作，并且经由CAN总线15进行通信。在一个实施例中，其中一个控制器例如控制器40构造为监测CAN 50和CAN总线15，并且在本文中可以称为CAN控制器。CAN 50的图示实施例是CAN的非限制性示例，其可以以多种系统配置中的任意一种使用。
CAN总线15包括多个通信链路，包括在控制器10和20之间的第一通信链路51、在控制器20和30之间的第二通信链路53、以及在控制器30和40之间的第三通信链路55。电力网60包括电源62，例如电池，其电连接到第一电源总线64和第二电源总线66，以经由电源链路向控制器10、20、30和40提供电力。如图所示，电源62经由以串联配置布置的电源链路连接到第一电源总线64和第二电源总线66，其中电源链路69将第一电源总线64和第二电源总线66相连。第一电源总线64经由以星型配置布置的电源链路连接到控制器10和20，其中电源链路61将第一电源总线64和控制器10相连，并且电源链路63将第一电源总线64连接到控制器20。第二电源总线66经由以星型配置布置的电源链路连接到控制器30和40，其中电源链路65将第二电源总线66和控制器30相连，并且电源链路67将第二电源总线66连接到控制器40。接地网70包括车辆接地线72，其连接到第一接地总线74和第二接地总线76，以经由接地链路向控制器10、20、30和40提供电接地。车辆接地线72经由以串联配置布置的接地链路连接到第一接地总线74和第二接地总线76，其中接地链路79将第一接地总线74和第二接地总线76相连。第一接地总线74经由以星型配置布置的接地链路连接到控制器10和20，其中接地链路71将第一接地总线74和控制器10相连，并且接地链路73将第一接地总线74连接到控制器20。第二接地总线76经由以星型配置布置的接地链路连接到控制器30和40，其中接地链路75将第二接地总线76和控制器30相连，并且接地链路77将第二接地总线76连接到控制器40。可以采用具有相似效果的用于控制器10、20、30和40和CAN总线15的通信、电源和接地的分布的其他拓扑。
控制模块、模块、控制、控制器、控制单元、处理器以及类似的术语表示以下部件中的一个或多个的任何一种或各种组合：专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序或者例行程序的中央处理单元(优选微处理器)及相关联的内存和存储器(只读存储器、可编程只读存储器、随机存取存储器、硬盘驱动器等)、组合逻辑电路、输入/输出电路和设备、适当的信号调节缓冲电路、以及提供所述功能的其它部件。软件、固件、程序、指令、例行程序、代码、算法以及类似的术语表示包括校准和查找表在内的任何指令集。所述控制模块具有一组控制例行程序，通过执行这组例行程序来提供期望的功能。例行程序由例如中央处理单元执行，例行程序是可操作的以监测来自感测设备和其它联网控制模块的输入，并执行控制和诊断例行程序来控制致动器的操作。在正在进行的发动机工作和车辆运行期间，可以以定期间隔(例如每100微秒、3.125、6.25、12.5、25和100毫秒)执行例行程序。替代地，可以响应于事件的发生来执行例行程序。
控制器10、20、30和40每个经由CAN总线15跨过CAN 50发送和接收消息，对于不同的控制器，消息传输速率以不同的周期发生。CAN消息具有已知的预定格式，其在一个实施例中包括帧开始(SOF)、标识符(11位标识符)、单向远程发送请求(RTR)、主导单向标识符扩展(IDE)、保留位(r0)、4位的数据长度代码(DLC)、长达64位的数据(DATA)、16位的循环冗余校验(CRC)、2位的应答(ACK)、7位的帧结束(EOF)以及3位的帧间间隔(IFS)。CAN消息可能被破坏，其中已知的错误包括填充错误、格式错误、ACK错误、位1错误、位0错误以及CRC错误。使用错误来产生错误警报状态，包括主动错误状态、被动错误状态、以及总线掉线错误状态中的一个。主动错误状态、被动错误状态以及总线掉线错误状态是基于增加数量的已检测总线错误帧即增加的总线错误计数来分配的。已知的CAN总线协议包括提供整个网络数据一致性，这会导致本地错误的全局化。这样允许故障的非静止控制器在CAN总线15上破坏来源于另一个控制器的消息。故障的非静止控制器在本文中是指主动故障控制器。当其中一个控制器被分配总线掉线错误状态时，它在一段时间内被禁止在CAN总线上通信。这包括禁止受影响的控制器接收消息和发送消息，直到重置事件发生，这可以当控制器无效时经过了一段时间之后发生。因此，当主动故障控制器被分配总线掉线错误状态时，它在一段时间内被禁止在CAN总线上通信，并且在它无效的时间周期期间不能在CAN总线上破坏其他消息。
图2示出了与参考图1所示的CAN相似的集成控制器局域网络的一个实施例，包括双线制CAN总线，该CAN总线包括以分裂终端配置电连接在端子205和207之间的线缆CAN-H201和CAN-L 203。每个端子经由相应的一对电阻器及相应的电容元件电连接到地面。每对中的电阻器都是串联，而且这一对在一端联接到CAN-H线路，并且在另一端联接到CAN-L线路。将图中左边的端子用上电阻器RL1和下电阻器RI2标记，而将图中右边的端子用上电阻器RR1和下电阻器RR2标记。上电阻器RL1和RR1在总线的相对端部各连接到CAN-H总线线路，而下电阻器RL2和RR2在总线的相对端部各连接到CAN-L总线线路。将每个端子中的电容器以C表示，其联接在地面与各对电阻器之间的节点之间。因而，在分裂终端配置中，每个端子都具有等于各对上下电阻器的串联组合的总电阻。并且，CAN总线的总电阻(即CAN-H线路和CAN-L线路之间)基本上等于并联的端子的终端电阻。在一个实施例中，所有的端子电阻器都具有相等的电阻值60Ω，且电容元件都具有相等的电容值4.7nF。因此每个端子具有等于120Ω的总电阻。并且，CAN总线的总电阻(即CAN-H线路和CAN-L线路之间)基本上等于60Ω。设想替代配置，其中每个端子的总电阻彼此相等，但上电阻器和下电阻器分别具有不同的电阻值。设想替代配置，其中每个端子的总电阻彼此相等，上电阻器的电阻彼此相等，下电阻器的电阻彼此相等，但是上电阻器和下电阻器的电阻彼此不相等。在任意设想的替代配置中，可以期望CAN总线的总电阻(即CAN-H线路和CAN-L线路之间)基本上等于60Ω或一些其他行业标准值。
多个节点(例如控制器ECU1 209、ECU2 211、ECU3 213和ECU-M 215)信号地连接到CAN。如图所示，ECU-M 215为监测控制器。每个控制器可以都能够监测并提供与关于ECU-M215描述的相同或相似的诊断功能。分裂终端配置通过消除共模误差来提高电磁兼容性。
监测控制器ECU-M 215包括CAN收发装置217，该收发装置包括信号发送器219、偏置控制器221及接收器223，其分别经由第一和第二分流电阻器(RS1 237，RS2 239)信号地连接到CAN总线的线缆CAN-H 201和CAN-L 203。第一和第二分流电阻器为高精度低阻抗装置，优选地其各具有等于或近似1.0Ω的电阻值，并且优选地具有相同的电阻值。监测控制器ECU-M 215还包括微控制器(MCU)225，其信号地连接到多个模拟-数字转换器(ADC1 227、ADC2 229、ADC3 231、ADC4 233)及多个可执行控制程序。
通过连接控制器ECU1 209、ECU2 211、ECU3 213，将电阻导入到CAN中。也可以利用端子205、207将电阻导入到CAN中。还可以通过节点间信号线路或连接端子的信号线路将电阻导入到CAN中。当总线的所有组成元件根据特定要求运行从而总线按照预期发挥作用时，CAN的总线总电阻RT可以如下确定：
其中，RT为总电阻，
RWi为CAN线路的电阻，
RMi为控制器i的内部电阻，以及
RTi为每个端子的电阻。
如在一个实施例中所示，ADC1 227电配置为监测跨过RS1 237的第一电压或压降(VS)，ADC2 229电配置为监测CAN-H 201线路和电接地之间的第三电压(VH)，ADC3 231电配置为监测通信总线的CAN-H 201线路和CAN-L 203线路之间的第二电压(VCAN)，以及ADC4233电配置为监测CAN-L 203线路和地面之间的第四电压(VL)。在一个实施例中，可以去除ADC3231的布置。每个ADC优选地具有大于100kHz的采样频率，以便在发生故障期间，以捕捉第一和第二电压的频率监测CAN总线上的各电压。
通信故障是在CAN总线上产生丢失的消息或被破坏消息从而中断在CAN中的控制器之间的通信的故障。通信故障可以是由于CAN-H或CAN-L上的断开链路、或者CAN-H或CAN-L上的到电源或到地短路或者CAN-H和CAN-L之间的短路导致的，并且可以是位置特定的。通信故障可以是其中一个控制器中的故障、CAN总线的其中一个通信链路中的故障、电力网的其中一个电源链路中的故障、或者接地网的其中一个接地链路的故障的结果。拓扑图可以展开，包括如本文所述的通信拓扑。
将短期CAN故障定义为短持续时间的任何故障，其导致在CAN总线上引起丢失或破坏消息的临时故障。短持续时间故障持续较短的时间周期，例如小于1秒，并且可以自校正。将间歇性故障定义为在预定时间窗口内至少发生两次的短期CAN故障，其在一个实施例中可以是10秒。将瞬态CAN故障定义为在预定时间窗口内仅发生一次的短期故障。
图3示出了用于检测和隔离CAN中的通信故障的示例性CAN监测程序300。表1提供为图3的程序300的图解，其中标记数字的方框和对应功能如下所述。
表1
通过CAN监测程序300执行两个主要功能。第一，确定线路短路故障是否存在。并且当确定线路短路故障存在时，诊断该短路的定位。优选地，线路短路故障检测通过机载监测控制器的简单的电压测量和电阻推导来完成，从而减轻对附加硬件或者任意类型的复杂信号分析的任何要求。并且，短路定位优选地通过附加的基础电路分析技术而完成，该技术参考预定数据表利用简单的电压测量。
CAN监测程序300以非限制性示例方式给出。在要求保护的主题的范围内，本领域技术人员将认识到并能够实施替代程序以达到类似的结果和成果。该CAN监测程序300的执行是定期触发的(301)，其中初始动作是读取和捕捉车辆温度(302)。捕捉车辆温度的目的是，基于温度相对于标称值的偏离，通过将电阻标准化，来分析地适应温度对于CAN的各线路中的电阻的影响。可以根据下列关系式对电阻进行温度标准化或调节：
R(T)＝R(25)*(1+α(T-25)) [2]
其中R(T)为温度标准化的电阻，
α表示与温度变化相关的电阻变化，并且对于铜线而言是3.9×10-3Ω/℃，
T为车辆温度(℃)，
25代表标称温度25℃，以及
R(25)为标称温度25℃时的电阻。
生成两个电阻/距离映射表(304)，该映射表包括与不同位置的CAN-H接地短路故障相关的第一映射、以及与不同位置的CAN-H至CAN-L短路故障相关的第二映射。该电阻/距离映射表基于对CAN通信拓扑的认识生成，包括节点/控制器连接电阻、线路材料参数(诸如导体材料和规格)、节点间距离或线路长度、每个已知控制器的连接顺序等。线路具有与线路长度相关的已知电阻λ(Ω/m)，该电阻具有在标称温度(例如在25C)下的已知值，并随温度而变。每个控制器都具有连接电阻，该连接电阻具有在标称温度(例如在25℃)下的已知值，并随温度而变。
当故障为CAN-L和CAN-H之间短路时，可以根据下列关系式确定通信总线上的从监测控制器到每个控制器k的总电阻：
其中，RTK(T)为总电阻，
λ为电阻率(Ω/m)，
Di是控制器i和控制器i-1之间的距离(m)，
αW是线缆的温度系数(Ω/℃)，
RMi是施加在通信总线上的控制器i的内部电阻，
T是温度(℃)，以及
αMi是控制器i的温度系数(Ω/℃)。
使用已知参数及将总电阻与沿着CAN总线距CAN-L和CAN-H线路间短路位置(即节点间)的距离相关联的关系式，优选地在监测控制器的非易失性存储器的工作段中创建和存储当前温度条件下的将总电阻与距离相关联的表格。
当故障为CAN-H与地面之间的短路时，可以根据下列关系式以类似方式确定通信总线上的从监测控制器到每个控制器k的总电阻：
再次，使用已知参数及将总电阻与沿着CAN总线距从CAN-H线路到地面的短路位置(即节点间)的距离相关联的关系式，优选地在监测控制器的非易失性存储器的工作段中创建和存储当前温度条件下的将总电阻与距离相关联的表格。
本领域技术人员将还会认识到，可以离线创建电阻/距离映射表，作为可能应用本诊断的具体CAN系统的设计和校正的一部分。这样的表格优选地在非易失性存储器中存储为查找表，并且将使用对CAN的通信拓扑的认识来构建，包括节点/控制器连接电阻、线路材料参数(诸如导体材料和规格)、节点间距离或线路长度、每个已知控制器的连接顺序等。然而，考虑温度的附加表格维度会需要显著地更多的非易失性存储器使用。本领域普通技术人员能够使用来自实际CAN总线硬件或设计数据的经验数据，来构建这样的电阻/距离映射表。
完成第一电压VS和第二电压VCAN的电压采样。优选地执行过滤。因此，例如在一段时间内收集用于第一电压VS和第二电压VCAN的预定数量(N1)的样本或数据点。在一个实施例(306)中，N1是5632。也可以收集用于VH和VL的对应数据点以提供对VS和VCAN的数值校验，不过不一定需要执行CAN监测程序。
识别第一电压VS和第二电压VCAN在预定范围内的预定数量(N2)的连续采样或数据点的分组(308)，其中N2随采样率而变，并且在一个实施例中为15个采样或数据点。该预定范围是确定为指示线路短路故障的范围，并且可以使用来自实际CAN总线硬件或设计数据的经验数据来确定。废弃每个上述分组的第一N3个数据采样或数据点(310)，其中N3随采样率而变，并且在一个示例中为5个采样或数据点。从进一步考虑中去除第一N3个点的目的类似于常规的测量的“消除抖动”，以去除潜在有问题的或不稳定的数据。将所有分组中的其余数据并入单个数据文件用于分析。评估该文件中的数据点的数量，以确定数据点的数量是否大于N4，在一个实施例中N4为10个采样，不过，优选地N4根据例如电压测量精度或总线负荷而是可变的(312)。
当数据点的数量小于N4(312)(0)时，结果指示通信总线中不存在短路故障(320)，并且捕捉并存储检测结果(330)。
当数据点的数量大于N4(312)(1)时，结果指示通信总线中检测到短路故障，对应地需要确定CAN中的故障位置。通过根据下列关系式计算每对VS和VCAN数据点的电阻(314)来分析数据点：
其中，为估算的总线电阻，以及
RS为分流电阻器的电阻。
计算并采用所有估算的总线电阻的平均值(316)，以参考电阻/距离映射表来确定距离(318)。计算出的距离指示通信总线中的故障(若有的话)的位置，并且能够捕捉和保存二者(330)。
本发明已经描述了某些优选实施例及其变更例。在阅读和理解说明书时，可以想到进一步的变更和替代。因此，旨在本发明不限于作为预期实施本发明的最佳模式公开的具体实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (4)

1.一种控制器局域网络(CAN)，包括：
CAN总线，包括CAN-H线路和CAN-L线路；
一对CAN总线端子，位于所述CAN总线的相对端部，每个端子具有对应的已知端子电阻值；
多个节点，包括控制器，其中所述控制器中的至少一个包括监测控制器；并且
所述监测控制器包括
CAN收发装置，其经由具有已知电阻值的分流电阻器信号地连接到CAN-H线路；
微控制器，其监测所述分流电阻器两端的电压、CAN-H电压和CAN-L电压；以及
CAN监测程序，包括下列步骤：
根据下述关系计算所述CAN总线的总电阻：
其中，RT为CAN总线的总电阻，
RS为所述分流电阻器的电阻，
VS是所述分流电阻器两端的电压；及
VHL是CAN-H电压和CAN-L电压之间的电压差；
检测所述CAN总线中的线路短路故障；和
基于所述CAN总线的所述总电阻确定所述CAN总线中的所述线路短路故障的位置,其中确定所述CAN总线中的所述线路短路故障的位置的步骤包括参考将CAN总线位置与所述CAN总线电阻相关联的预定表格。
2.如权利要求1中所述的控制器局域网络(CAN)，其中检测所述CAN总线中的线路短路故障的步骤包括以下步骤：
测量CAN总线电流所通过的所述分流电阻器上的第一电压；
测量所述CAN-H线路和所述CAN-L线路之间的第二电压；以及
基于所述第一电压和第二电压检测所述CAN总线中的线路短路故障。
3.如权利要求2中所述的控制器局域网络(CAN)，其中测量所述第一电压和第二电压的步骤包括过滤电压。
4.如权利要求2中所述的控制器局域网络(CAN)，其中基于所述第一电压和第二电压检测所述CAN总线中的线路短路故障的步骤包括确定所述第一电压和第二电压处于预定范围之外。
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