2015款寶馬320Li轉(zhuǎn)向柱開關中心功能失靈

◆文/北京 任賀新

故障現(xiàn)象

一輛2015款寶馬320Li(F35)，搭載N20B20D型發(fā)動機，行駛里程為50 000km。該車因車內(nèi)進水而進廠維修，經(jīng)檢查天窗前部排水孔堵塞，兩前座椅區(qū)域都有積水，修理工拆卸并晾曬前部區(qū)域地毯，在恢復安裝過程中出現(xiàn)雨刮開關、轉(zhuǎn)向燈和遠光燈開關失靈，且雨刮器處于應急狀態(tài)，不受控制地一直在刮水。

故障診斷與排除

為避免雨刮因長時間工作而損壞，先拔下了雨刮器插頭，在連接ISTA讀取車輛故障信息，在前部電子模塊FEM中存儲有故障碼(圖1)D90C0A-LIN主控但愿K_LIN_16無通信。引導功能提示：大于1s無通信，就會記錄該故障碼，造成的后果是無法與轉(zhuǎn)向柱開關中心SZL通信。

圖1 故障車內(nèi)存儲的故障信息

在正式診斷之前，先簡單了解一下寶馬車系前部電子模塊FEM和轉(zhuǎn)向柱開關中心SZL的功能。

隨著FEM的引入，以前的控制單元及其功能由新一代產(chǎn)品所取代。FEM是車載網(wǎng)絡中的中央控制單元，同時也是其他控制單元的網(wǎng)關。FEM承擔了源自舊控制單元中的腳步空間模塊FRM、便捷進入啟動系統(tǒng)CAS、接線盒電子裝置JBE和中央網(wǎng)關模塊ZGM的功能。FEM安裝在前排乘客側(cè)腳步空間的A柱中。

SZL不再是控制單元，而是在電動機械式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS中檢測轉(zhuǎn)向角。SZL的主要任務有：檢測轉(zhuǎn)向柱上的開關信號；讀取多功能方向盤內(nèi)操作元件的信號；將數(shù)據(jù)作為LIN總線上的信息輸出，或者通過直接導線傳輸數(shù)據(jù)；接通環(huán)路信號(如駕駛員安全氣囊)。SZL在左右兩側(cè)各有一個轉(zhuǎn)向柱開關，右側(cè)轉(zhuǎn)向柱開關用于操作刮水清洗裝置的功能，左側(cè)轉(zhuǎn)向柱開關用于操作遠光燈或轉(zhuǎn)向信號燈以及車載電腦的功能。SZL處理這兩個開關的信號，并將信息通過局域互聯(lián)網(wǎng)總線(LIN總線)發(fā)送至FEM，由FEM控制單元執(zhí)行請求。

FEM和SZL之間的電路連接關系如圖2所示(紅色箭頭所指線路為FEM至SZL的LIN總線)，他們之間為LIN總線控制的主從關系，其中FEM是主控單元，SZL為從控單元。

圖2 故障車型FEM和SZL相關電路

LIN是Local Interconnect Network(局域互聯(lián)網(wǎng)絡)的簡稱，局域互聯(lián)網(wǎng)意味著所有總線設備都位于一個有限安裝區(qū)域，例如駕駛員車門。這是一種低成本的總線系統(tǒng)，可以在短距離內(nèi)連接開關、顯示屏、傳感器和執(zhí)行機構(gòu)等控制元件。LIN總線是一種區(qū)域子網(wǎng)，它不能獨立工作，通常會與上層CAN網(wǎng)絡相連，形成CAN-LIN網(wǎng)關節(jié)點，再通過上一級的CAN總線連接到車輛網(wǎng)絡上去(圖3)。LIN總線采用的是單線傳輸形式，應用了單主機多從機的結(jié)構(gòu)，一個主機最多可連接16個從機，傳輸速率最高為20kBit/s。

圖3 LIN總線的主從關系

LIN總線是基于主從模式的通信系統(tǒng)，主機控制總線上所有的通信過程，從機只有在主機許可下才能向總線上發(fā)送消息。

主機怎樣控制子網(wǎng)內(nèi)每條數(shù)據(jù)的傳輸過程呢？LIN總線的數(shù)據(jù)幀由幀頭和應答這兩部分組成，主機向總線上發(fā)送請求(幀頭)，從機或主機根據(jù)幀頭發(fā)送應答(圖4)。也就是說主機既能發(fā)送幀頭也能發(fā)送應答，而從機僅能發(fā)送應答。

圖4 主機控制LIN線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程

數(shù)據(jù)幀的詳細結(jié)構(gòu)比較復雜，并且與本車故障關系不大，為此不做詳細介紹，但通過圖5可大致了解LIN總線數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)。

圖5 LIN總線數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)圖

LIN總線的信號電壓有隱形和顯性兩種狀態(tài)。隱形狀態(tài)，沒有信息發(fā)送時，數(shù)據(jù)總線的電壓接近蓄電池電壓，即邏輯“1”，此為隱形狀態(tài)。有信息發(fā)送時，數(shù)據(jù)總線切換到接地狀態(tài)，即邏輯“0”，此為顯性狀態(tài)(圖6)。

圖6 LIN總線的信號電壓

為什么LIN總線上的信號電壓是這樣變化的？這主要是與LIN總線收發(fā)器的結(jié)構(gòu)有關。主機和從機都通過LIN收發(fā)器連接LIN總線上，其中發(fā)送器轉(zhuǎn)換需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上，接收器負責讀取總線信號。LIN收發(fā)器將單線LIN導線的信號轉(zhuǎn)換到用于微控制器和收發(fā)器之間讀取和寫入數(shù)據(jù)的標準雙線接口，并將來自微控制器的信號發(fā)送到LIN總線上。LIN發(fā)送器的工作原理如圖7所示。

圖7 LIN發(fā)送器的基本結(jié)構(gòu)

發(fā)送器是在總線上生成信號的發(fā)送部件，其輸出級是一個NPN結(jié)構(gòu)的三極管，可以簡單地將其理解為開關。當驅(qū)動器施加高電位至三極管的基極時三極管導通，LIN總線經(jīng)輸出級切換為接地狀態(tài)，LIN總線上電壓接近0，即邏輯“0”的顯性狀態(tài)。因為所有收發(fā)器都以并聯(lián)方式連接至數(shù)據(jù)導線，所以LIN總線的接地狀態(tài)為顯性狀態(tài)，它可以覆蓋LIN總線接近蓄電池電壓的隱性狀態(tài)。當驅(qū)動器不在三極管的基極施加電壓時，三極管斷開，車載電壓經(jīng)二極管和上拉電阻輸出至LIN總線上，此時LIN總線上的電壓接近蓄電池電壓，即邏輯“1”的隱性狀態(tài)。

上拉電阻可防止三極管導通時車載電壓對地短路，所有網(wǎng)絡節(jié)點內(nèi)都有上拉電阻，在主機中其電阻值為1kΩ，在從機中為30kΩ。上拉電阻前的二極管可防止電流經(jīng)LIN數(shù)據(jù)導線倒流至車載電網(wǎng)和控制單元。

另外，前面提到LIN總線的最大傳輸速度為20kBit/s，這是為什么？因為LIN數(shù)據(jù)總線的信號沿較陡且電壓升降量較大，造成電磁干擾輻射較大，所以LIN規(guī)范中規(guī)定信號電壓的最大上升和下降速率時間為1～3V/us，這樣能獲得較好的電磁兼容性，但是限制了最大數(shù)據(jù)傳輸率。

LIN接收器的工作原理如圖8所示。接收器的核心部件是一個運算放大器，即圖8中的比較器，它將總線上電壓與1/2車載電壓作比較，輸出電壓經(jīng)圖8中接收端口傳輸至微控制器。當總線電壓高于1/2車載電壓，運放輸出高電位；當總線電壓低于1/2車載電壓，運放將輸出端接地電位。

圖8 LIN總線接收器的基本機構(gòu)

了解了上述相關基礎知識以后，再來診斷這個故障就比較簡單。拆下轉(zhuǎn)向柱的護板，在不斷開插頭連接的情況下，用“背刺”的方式將探針連接至轉(zhuǎn)向柱中心插頭A83＊1B的11號針腳(故障碼中的LIN_16)。用萬用表測量電壓為10.45V，這個電壓是否正常？由于萬用表的采樣率太低，所測電壓為平均值，無法用于分析故障。接著將示波器連接至刺針，測得波形如圖9所示。

圖9 故障車LIN總線的電壓波形

LIN線電壓以10.45V為中心上下波動，變化幅度非常小，僅有0.5V左右，這是什么原因?qū)е碌?？將電壓波形中的毛刺部分放?圖10)后進行觀察。從中依稀能辨認出這是一個幀頭，缺少應答部分。繼續(xù)觀察其他毛刺，發(fā)現(xiàn)無應答的幀頭數(shù)量較多，僅少量數(shù)據(jù)幀是完整的。根據(jù)LIN總線通信原理，僅在主機發(fā)出請求信息時，從機才能參與數(shù)據(jù)交換，懷疑由于主機發(fā)送的幀頭電壓差值太小，無法被從機識別，從而產(chǎn)生LIN_16無通信故障碼。

圖10 故障車LIN總線放大后的波形

為什么前部電子模塊FEM在LIN總線發(fā)送的電壓差值這么小呢？查看多個總線設備的通信原理圖發(fā)現(xiàn)，當主機模塊FEM發(fā)送數(shù)據(jù)時，線路電壓走向是：SZL模塊的收發(fā)器→LIN總線→FEM收發(fā)器返回蓄電池負極(圖11)。第一次測量的位置在SZL的插頭處，根據(jù)原理圖有兩種原因會導致故障波形：一是FEM模塊內(nèi)部損壞；二是從測量點到FEM之間的線路存在虛接現(xiàn)象(見圖11中虛接電阻)。ZSL中的上拉電阻和虛接電阻構(gòu)成串聯(lián)回路，根據(jù)串聯(lián)分壓原理，假如虛接電阻遠高于上拉電阻，F(xiàn)EM中三極管接地瞬間，測量點處的電壓就會偏高。

圖11 FEM發(fā)送數(shù)據(jù)時LIN總線電壓的走向

用示波器再次測量FEM模塊處的LIN線波形，以驗證LIN線是否虛接，沒想到連接好示波器后車輛突然恢復正常，接著用手來回拽動線束，所測波形隨著手部動作一會兒正常，一會兒不正常，懷疑FEM模塊處的LIN線針腳虛接。

拔下FEM模塊插頭，用退針工具挑出LIN線針腳，仔細觀察發(fā)現(xiàn)針腳母頭存在擴孔現(xiàn)象，這是故障原因嗎？將母頭套在控制器對應的公頭針腳上，來回插拔母頭，發(fā)現(xiàn)活動非常自如，沒有針腳接實的卡滯感，由此判斷母頭擴孔的確導致針腳接觸不良。用尖嘴鉗夾緊針腳母頭，讓針孔收縮，修復FEM的LIN線針腳，隨后裝復插頭，經(jīng)過長時間試車，故障不再出現(xiàn)，測量LIN線電壓波形也恢復正常，至此確認該車故障被徹底排除。

維修小結(jié)

CAN總線依靠雙絞線的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)抗干擾的目的，而單根導線的LIN總線又是怎樣抗干擾呢？為確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸，LIN規(guī)范中規(guī)定了顯性電平和隱形電平的公差。接收器將接地及其內(nèi)部供電電壓作為數(shù)據(jù)導線上的基準電壓。如果電壓低于供電電壓的40%，則接收器將該數(shù)值解釋為邏輯“0”或顯性電平；如果電壓值超過60%，則為邏輯“1”或隱形電平(圖12)。對于發(fā)送器來說，規(guī)范中規(guī)定顯性和隱形電平與基準電壓的最大允許偏差為10%。

圖12 接收器的電壓限制