Już od ponad dwóch dekad wymiana informacji pomiędzy poszczególnymi sterownikami w pojazdach samochodowych jest powszechnie realizowana za pośrednictwem magistrali typu CAN. Taka forma transmisji danych pozwoliła na ograniczenie liczby przewodów i złącz instalacji elektrycznej oraz umożliwiła szybkie i bezzakłóceniowe komunikowanie się sterowników. Zastosowanie oscyloskopu pozwala na obserwację przebiegów sygnałów sieci CAN i identyfikację potencjalnych usterek.

Do niewątpliwych zalet komunikacji poprzez magistralę CAN należy zaliczyć: funkcję diagnostyki danego sterownika, otwartą architekturę sieci (możliwość przyłączenia kolejnych sterowników), nadzór nad przesyłem informacji oraz wprowadzenie priorytetu przesyłu informacji pomiędzy wpiętymi sterownikami. Prędkość przesyłu może osiągnąć, a nawet przekroczyć wartość 1000 kbit/s, z uwzględnieniem pewnych ograniczeń dotyczących przetwarzania danych. Dlatego zazwyczaj przyjmuje się ustalone poziomy, wprowadzając podział na CAN high i CAN low. Dla informacji wymienianych pomiędzy sterownikami układu napędowego i bezpieczeństwa (np. sterowniki: jednostki napędowej, skrzyni biegów, poduszek bezpieczeństwa, systemów wspomagających kierowcę) stosuje się najszybszą transmisję danych tzw. CAN high speed – działającą praktycznie w czasie rzeczywistym. Mniejsze prędkości przesyłu dotyczyć będą sterowników systemów komfortu (elektryczne: szyby, fotele, itp.), gdzie szybkość wymienianych danych nie jest priorytetowa i zawiera się między 100 kbit/s a 500 kbit/s, więc standard tego typu określamy jako CAN low speed.
Niezwykle ważnymi parametrami podczas diagnostyki szybkich sygnałów sieci CAN są: odpowiednio duży bufor pamięci oraz wysoka częstotliwość próbkowania samego oscyloskopu. Zapewnienie czytelnego obrazu transmisji szeregowej magistrali CAN na ekranie oscyloskopu związane będzie bezpośrednio z jakością użytego sprzętu. Teoretycznie transmisja danych magistralą CAN mogłaby być realizowana jednym przewodem, lecz ze względów bezpieczeństwa stosuje się tzw. skrętkę, czyli dwa przewody nieekranowane. Tymi dwoma przewodami określanymi jako przewód „high” oraz przewód „low” przesyłane są dane „symetrycznie” (inaczej „różnicowo”) względem siebie (ilustr. 1B, 2B). Strategia różnicowej transmisji danych dla magistrali CAN napędu opiera się na tym, że przewód sygnałowy CAN high danych napędu w stanie spoczynku będzie ustawiony na takim samym pułapie napięcia jak przewód CAN low – czyli na poziomie 2,5 V. W stanie dominującym napięcie sygnałowe na przewodzie CAN high podniesie się o 1 V i osiągnie poziom 3,5 V, gdy na przewodzie CAN low spadnie o wartość 1 V do pułapu 1,5 V (ilustr. 1A).
Magistrala komfortu/infotainment może działać w trybie jednoprzewodowym, nawet w sytuacji zwarcia lub przerwania sygnału. Komunikacja w trybie jednoprzewodowym będzie zrealizowana poprzez brak wspólnego oddziaływania przewodów CAN high i CAN low, co umożliwi im niezależne funkcjonowanie z uwagi na zaistnienie dwóch odrębnych źródeł napięcia. Ilustracja 2A przedstawia różnicową transmisję danych magistrali CAN komfortu. W stanie dominującym sygnał przewodu CAN high osiąga pułap 3,6 V, natomiast w stanie spoczynkowym poziom 0 V. Rozpatrując przewód CAN low, zauważamy, że stan dominujący jest realizowany przy 1,4 V, natomiast spoczynkowy na poziomie 5 V. Ze względu na wyraźne zróżnicowanie sygnałów napięciowych oraz różne prędkości transmisji pomiędzy magistralami CAN komfortu/infotainment a magistralą CAN napędu, magistrale te nie mogą być połączone bezpośrednio ze sobą.

1A. Wzorcowy przebieg sygnału różnicowego magistrali CAN napędu (trakcji), B – oscylogram poglądowy rzeczywistej transmisji danych CAN o typowo symetrycznym przebiegu.

2A. Modelowy sygnał różnicowy magistrali CAN komfortu, B – oscylogram poglądowy przebiegu rzeczywistej transmisji danych dla CAN komfortu – uwagę zwraca symetryczny kształt zarejestrowanego przebiegu.

W celu bardziej przejrzystego zobrazowania zarejestrowanego oscylogramu na ilustracji nr 3 przedstawiono sygnał magistrali CAN układu napędowego, analizując przebieg przechwycony tylko dla przewodu CAN low. Transmisja danych została zrealizowana pomiędzy sterownikiem przekładni kierowniczej a sterownikiem jednostki napędowej samochodu Volkswagen Golf VI z silnikiem 2.0 TDI. Prawidłowe przebiegi obrazuje ilustracja nr 3. Należy zwrócić uwagę na osiąganie przez sygnał przewodu CAN low (około 1,5 V – stan dominujący i około 2,5 V w stanie spoczynkowym) właściwych pułapów napięciowych. Niewielkie powtarzające się piki napięcia przekraczające nieznacznie pułap 2,5 V widoczne na dolnym oscylogramie (dla sygnału w stanie spoczynkowym) z ilustracji nr 3 są w pełni akceptowalne i mogą być źródłem zakłóceń sygnału.

3. Oscylogramy transmisji danych dla CAN napędu przewodu CAN low. Osiągane wartości są w pełni akceptowalne i w stanie dominującym utrzymują się na pułapie około 1,5 V, dla stanu spoczynkowego wynoszą około 2,5 V.

Konfiguracja podłączenia oscyloskopu przy diagnozowaniu sygnałów magistrali CAN:
• Źródło zasilania oscyloskopu: akumulator pojazdu.
• Podłączenie sondy napięciowej nr 1: kanał nr 1 oscyloskopu.
• Podłączenie sondy napięciowej nr 2: kanał nr 2 oscyloskopu.
• Punkt pomiarowy sondy napięciowej nr 1: przewód sygnałowy CAN high magistrali napędu złącza diagnostycznego OBD.
• Punkt pomiarowy sondy napięciowej nr 2: przewód sygnałowy CAN low magistrali napędu złącza diagnostycznego OBD.
• Punkt masowy sondy napięciowej: sygnał masowy z złącza diagnostycznego OBD.

Parametry pomiaru:
• Tryb wyzwalania: automatyczny.
• Zakres pomiarowy napięcia: 1 V/div.
• Podstawa czasu: 5 µV/div.
Należy zwrócić uwagę na odpowiedni kształt przebiegu, jego prostokątny charakter i wzajemną symetrię pomiędzy transmisją danych przewodami CAN high i CAN low (ilustr. 1B i 2B).

Wyraźnej nieprawidłowości można doszukać się na ilustracji nr 4, gdzie zarejestrowano moment (część wykresu oznaczona czerwoną elipsą), w którym sygnał przewodu magistrali napędu CAN low osiągnął wartość napięcia poniżej przyjętej granicy (ok 1,5 V) i ustalił się na pułapie około 0,9 V, przez co napięcia szczytowe nie są właściwe. Tego typu usterki mogą powodować problemy w komunikacji między sterownikami.

4. Oscylogram transmisji magistrali danych napędu przewodu CAN low. Analiza przebiegu pozwala dostrzec nieprawidłowości w napięciach szczytowych. Czerwoną elipsą oznaczono przedział czasowy, w którym sygnał przewodu magistrali napędu CAN low osiągnął wartość napięcia poniżej przyjętej granicy.

Kolejną typową usterką jest przykład zwarcia przewodów magistrali CAN z potencjałem dodatnim lub sygnałem masowym. Na ilustracji nr 5 pokazano wizualizację zwarcia przewodu CAN low (sygnał oznaczony kolorem zielonym) magistrali komfortu z potencjałem akumulatora (12 V). Przewód CAN high (kolor żółty) w dalszym ciągu realizuje prawidłową transmisję danych. Z racji tego, że usterka dotyczy magistrali komfortu, dalsza praca sterowników wpiętych w tę sieć jest możliwa przy wykorzystaniu jednoprzewodowego trybu pracy. Dodatkowo, w pamięci sterownika komfortu pozostaje zapisany błąd sygnalizujący o „komunikacji w trybie jednoprzewodowym”.

5. Poglądowy oscylogram sygnałów magistrali CAN komfortu w trybie jednoprzewodowym – zwarcie przewodu CAN low z plusem akumulatora.

Mariusz Leśniewski