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主题

CAN 总线故障排查手册 ​

背景描述 ​

在机械臂的运行过程中，可能突然弹出 CAN 总线错误。硬件排查需要一定的硬件知识和专用工具，本文从软件、日志和硬件三个方面介绍初步排查步骤。

软件修复历程 ​

上位机程序在迭代过程中，已经基本解决实际使用和测试中发现的软件 bug，包括但不限于：

  • 数据通信阻塞
  • CAN 与 CAN FD 的自动检查
  • 传输过大字节的报错问题

问题分类 ​

CAN 总线错误弹窗的原因分为以下几类：

  • 误操作问题
  • 版本不适配问题
  • 硬件问题

一、误操作问题 ​

1. 升级固件包之后，弹窗报错“CAN 总线错误” ​

机械臂原本运行正常，因解决误碰撞、速度跑不满等问题而升级固件，升级后出现报错。这种情况通常是上传的固件升级包不兼容导致的。建议先回退固件版本，保证机械臂正常运行，再与研发人员确认是否需要升级以及升级版本的选择。

二、版本不适配问题 ​

前情提要 ​

机械臂关节主控芯片的 bootloader 从 v1.0.x 升级到 v1.1.x 时进行了改进，但该改进导致固件升级时无法直接从 v1.0.x 升级到 v1.1.x。

涉及到的关节型号有：i 系列所有型号关节、C 系列所有型号关节、iH 系列所有型号关节。

涉及的底座型号为丝印 ROBOT POWER Board V1.2、使用 base_i_C_h120-*.hex 固件的底座。

[详细说明文档]

解决方法 ​

  1. 使用 J-Link 下载包含 v1.1.x 版本 bootloader 的固件包，然后再进行在线升级。
  2. 重新升级 v1.0.x 固件，回退到 v1.0.x 版本。

相关日志输出 ​

此时固件更新失败，日志会输出如下语句

固件更新失败日志

三、硬件问题 ​

以下列举几个常见硬件问题在日志中的表现。

现象1 ​

机械臂运行过程中突然报“CAN 总线硬件错误”时，首先检查线缆是否连接完好。若连接完好，可能是 CAN 硬件线路存在问题，例如机械运动导致线缆松动，或高温导致固定胶松动，使 CAN 线在机械臂移动过程中接触不稳定。

CAN 总线硬件错误现象一

CAN 总线硬件错误现象二

现象2 ​

硬件断开日志

这里可以看到 6 个关节全部报错，且工具板、基座板、机器人全部通信断开。 这种也是典型的硬件问题。

现象3 ​

当机械臂线缆过长时，有概率报“CAN 总线错误”，主要是因为信号延时以及不稳定。

现象4 ​

工具板断开日志

CAN 总线错误日志

这里可以看上电过程报了工具板找不到的 error，这个也会导致报“CAN bus error”。

CAN 线破损图片 ​

CAN 线破损示例

硬件故障详细排查 ​

1. CAN 总线故障——电气问题排查 ​

1.1 背景概述 ​

在整臂下线并交付测试时，其绝缘介电强度、绝缘电阻、系统接地需满足机械臂相关电气安全标准。实际测试中可能发现“电机绕组线对外壳短路”“电源 48V 对外壳短路”，甚至“CAN 总线对外壳短路”等情况。上述问题均会导致 CAN 总线信号波形质量变差，最终引起 CAN 通信故障。另外，各节点 CANH、CANL 是否对电源或地短路，以及终端电阻阻值是否合适，也会引起 CAN 总线故障。因此，排查 CAN 总线故障时，应首先进行电气问题排查。

1.2 测试设备 ​

万用表。

1.3 测试项目及方法 ​
  1. 电源系统对机械臂外壳阻抗测试：万用表使用电阻档，整臂不上电，分别测试外壳与 48V 正极（红色）、48V 负极（黑色）之间的电阻值。由于关节参考地与外壳之间串联了一颗 1MΩ 电阻（并非所有关节都实际焊接），测得的电阻值应大于 100kΩ。如果测得的电阻值小于 100kΩ，甚至仅为几 Ω，则判定 48V 电源系统与机械臂外壳之间存在短路等问题。
  2. 各关节绕组对外壳阻抗测试：万用表使用电阻档，整臂不上电，分别测试外壳与各关节电机绕组 U、V、W 之间的电阻值，测得的电阻值应大于 100kΩ。如果测得的电阻值小于 100kΩ，甚至仅为几 Ω，则判定某关节电机绕组与外壳之间存在绝缘失效问题。
  3. CAN 总线对机械臂外壳阻抗测试：万用表使用电阻档，整臂不上电，分别测试外壳与 CANH、CANL 之间的电阻值，测得的电阻值应大于 100kΩ。如果测得的电阻值小于 100kΩ，甚至仅为几 Ω，则判定 CAN 总线与外壳之间存在短路问题。
  4. CAN 总线终端电阻阻值测量：万用表使用电阻档，整臂不上电，测试 CANH 与 CANL 之间的电阻值，测得的电阻值应为 60Ω（控制柜端 120Ω、末端 120Ω，并联后为 60Ω）。如果测得的电阻值与目标值偏差过大，则判定终端电阻异常。
  5. CAN 总线电压值测试：万用表使用直流电压档，整臂上电，分别测试 CANH、CANL 与系统地之间的电压值，测得的电压值应在 2.5V 左右。如果电压值过高或过低，则表明 CAN 总线可能与系统电源或地之间存在短路。

2. 使用 ZPS-CANFD 总线分析仪进行分析排查 ​

2.1 背景概述 ​

借助 ZPS-CANFD 总线分析仪，可对总线模拟信号波形及报文进行测试分析。通过信号幅值和噪声对比，可以确定信号质量。如果存在电气问题，可在波形窗口中观察到异常波形；通过帧过滤和筛选可以快速定位总线问题点。

2.2 测试设备 ​

ZPS-CANFD 总线分析仪或其他品牌的总线分析仪。

2.3 测试项目及方法 ​

  1. 检查 CAN 信号波形是否正常：根据波形确认 CANH、CANL 信号幅值是否正确、是否对称，以及 CANdiff（差分）电平信号是否正常。

    正常参考波形如下：

    CAN 总线正常参考波形

    CANH、CANL 应呈对称方波信号，电压幅值正常，Diff（差分信号）电平信号正常。

  2. 过滤、筛选帧错误：将获得的总线数据进行分析，过滤、筛选出错误帧，由软件人员进一步分析并确认总线问题点。

3. CAN 总线各节点配置参数一致性排查 ​

3.1 背景概述 ​

目前产品存在由传统 CAN 迭代到 CAN FD 的过程。相比传统 CAN 总线，CAN FD 提升了传输速率，相应地，底座、关节和末端等各节点需要重新匹配 CAN 发送时延、采样点等配置参数。如果某一末端未按 CAN FD 进行参数配置，可能导致第 4、5、6 关节报“CAN 总线硬件故障”。

3.2 测试设备 ​

ZPS-CANFD 总线分析仪。

3.3 测试项目及方法 ​
  1. 根据上位机确认整臂 CAN 总线的类型（普通 CAN 或 CAN FD）。
  2. 确认底座、各关节和末端的 CAN 总线配置参数是否一致。
  3. 使用 ZPS-CANFD 总线分析仪确认具体问题模块，可通过过滤错误帧进行定位。

4. CAN 总线故障快速排查 ​

4.1 背景概述 ​

适用于生产、测试人员进行快速排查和问题定位。

4.2 测试设备 ​

48V 可调电源、CAN 线，以及与报错关节同类型的关节。

4.3 测试项目及方法 ​

  1. 更换机械臂航插线缆重新测试，使用标准长度线缆（5m）进行测试。

  2. 排除 CAN 线错误：区分机械臂是单路 CAN 信号还是双路 CAN 信号。若为单路 CAN 信号，则将所有关节中心引线中的 CAN 线替换为新的 CAN 线；若为双路 CAN 信号（1、2、3 关节一路 CAN 信号，4、5、6 关节一路 CAN 信号），则根据报错关节 ID 号更换对应链路的 CAN 线。例如 ID2 报错时，更换 1、2、3 关节的 CAN 线。机械臂上电后查看故障是否消除。若故障消除，再分别测试各关节 CAN 线，找到问题 CAN 线并更换；若故障仍存在，则继续排查下一步。

  3. 排除关节错误：根据报错关节 ID 号，找到相同类型的关节并设置为相同 ID。将与报错关节相连的 CAN 线连接到新关节上，并断开报错关节的 CAN 线连接。新关节接通 48V 电源后，机械臂整臂上电，查看故障是否消除。若故障消除，则更换关节；若故障仍存在，则更换控制柜对整臂进行测试。

  4. 如果仍未定位到具体原因，则交由研发人员排查硬件问题。

5. CAN 总线故障波形参考 ​

CAN 总线电气异常时，通常可在波形窗口中观察到信号幅值、对称性或差分电平异常。参考示例如下：

CAN 总线电气异常波形

6. 使用周立功 ZCAN 抓取 CAN 总线数据 ​

  1. 打开 ZCANPRO 软件，设备类型选择“USBCANFD-200U”。

    ZCANPRO 设备类型设置

  2. 点击“打开设备”，按图设置参数。仲裁域波特率选择“自定义”，自定义波特率设置为 1.0Mbps(75%),5.0Mbps(75%),(60,03800001,00800001)（可直接输入）。终端电阻根据实际情况选择“禁能”或“使能”，默认选择“禁能”。

    ZCANPRO 波特率和终端电阻设置

  3. 点击“设置”，将时间格式设为“系统时间”，最大帧数设为 100000（最大值）。至此，参数全部设置完成，可以抓取 CAN 数据。

    ZCANPRO 数据记录设置

  4. 数据抓取完成后，点击“保存”，将数据保存到指定目录。

    ZCANPRO 数据保存

若现场具备条件，可按照上述步骤进行先期硬件排查；若无法排查或问题仍未定位，则安排返厂维修，并交由研发人员进一步分析。

四、日志错误码分类及其解析 ​

c++
/// 错误码
#define ERR_OVER_CURRENT_BIT    (((uint32_t)0x01) << 0) ///< 过流
#define ERR_OVER_VOLTAGE_BIT    (((uint32_t)0x01) << 1) ///< 过压
#define ERR_OVER_TEMPRATURE_BIT (((uint32_t)0x01) << 2) ///< 过温
#define ERR_COMMUNICATION       (((uint32_t)0x01) << 3) ///< 通信
#define ERR_LOW_VOLTAGE           (((uint32_t)0x01) << 4) ///< 欠压
#define ERR_UVW_LOGIC_INVALID     (((uint32_t)0x01) << 5) ///< UVW逻辑无效
#define ERR_UVW_ABZ_FAULT         (((uint32_t)0x01) << 6) ///< ABZ 相错误
#define ERR_ABS_ENC_COMM_FAULT    (((uint32_t)0x01) << 7) ///< 绝对编码器错误
#define ERR_ADC_ZERO_OFFSET_FAULT (((uint32_t)0x01) << 8) ///< ADC 零点偏移错误
#define ERR_ENC_POLLUTE           (((uint32_t)0x01) << 9) ///< 编码器污染等级错误
#define ERR_ENC_Z_LOST            (((uint32_t)0x01) << 10) ///< Z 相丢失
#define ERR_ENC_CALI_FAULT        (((uint32_t)0x01) << 11) ///< 编码器校准错误
#define ERR_IMU_FAULT             (((uint32_t)0x01) << 12) ///< 惯性测量单元故障
#define ERR_IPM_NTC_FAULT         (((uint32_t)0x01) << 13) ///< NTC 故障
#define ERR_ABS_ENC_LOW_VOLT      (((uint32_t)0x01) << 14) ///< 绝对编码器电压低
#define ERR_SHROT_CIRCUIT_FAULT   (((uint32_t)0x01) << 15) ///< 短路故障
#define ERR_POS_OVER_LIMIT        (((uint32_t)0x01) << 16) ///< 位置超限
#define ERR_MOTOR_STALL           (((uint32_t)0x01) << 17) ///< 电机堵转
#define ERR_ABS_MT_FAULT          (((uint32_t)0x01) << 18) ///< 绝对编码器多圈故障
#define ERR_MOTOR_PHASE_LOSE      (((uint32_t)0x01) << 19) ///< 电机缺相
#define ERR_BRAKE_FAULT           (((uint32_t)0x01) << 20) ///< 刹车故障
#define ERR_REDUCER_OVER_TEMP     (((uint32_t)0x01) << 21) ///< 减速机过温
#define ERR_REDUCER_NTC_FAULT     (((uint32_t)0x01) << 22) ///< 减速机NTC 故障
#define ERR_FIRMWARE_UPDATE_FAULT (((uint32_t)0x01) << 23) ///< 固件升级错误
#define ERR_FLASH_OP_FAIL         (((uint32_t)0x01) << 24) ///< FLASH 操作故障
#define ERR_EXT_ABS_ENC_COMMFAULT \
    (((uint32_t)0x01) << 25) ///< 减速器端编码器通信故障
#define ERR_BATTERY_LOW      (((uint32_t)0x01) << 26) ///< battery low power
#define ERR_PHASE_ALIGN_FAIL (((uint32_t)0x01) << 27) ///< lock magnet pole
#define ERR_CAN_BUS          (((uint32_t)0x01) << 28) ///< CAN硬件错误
#define ERR_POS_CMD          (((uint32_t)0x01) << 29) ///< 位置指令不连续
#define ERR_POS_INIT         (((uint32_t)0x01) << 30) ///< 位置初始化失败
#define ERR_TORQUE_SENSOR    (((uint32_t)0x01) << 31) ///< 力矩传感器故障

错误码使用举例说明 ​

日志报错如下

错误码示例日志

日志这里输出错误码 0x10000008，这里为16进制，我们转换为二进制，再对照错误码表

错误码二进制转换示意

可以看到二进制下，第 3 个 bit 和第 28 bit 的值为 1（从 0 开始），即代表：

  • 通信问题
  • CAN硬件错误

条件允许的话，可以拆开机械臂查看对应硬件是否有问题，否则建议返厂维修。