2015款寶馬320Li轉向柱開關中心功能失靈

◆文/北京 任賀新

故障現象

一輛2015款寶馬320Li(F35)，搭載N20B20D型發動機，行駛里程為50 000km。該車因車內進水而進廠維修，經檢查天窗前部排水孔堵塞，兩前座椅區域都有積水，修理工拆卸并晾曬前部區域地毯，在恢復安裝過程中出現雨刮開關、轉向燈和遠光燈開關失靈，且雨刮器處于應急狀態，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向柱開關中心SZL通信。

圖1 故障車內存儲的故障信息

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品所取代。FEM是車載網絡中的中央控制單元，同時也是其他控制單元的網關。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CAS、接線盒電子裝置JBE和中央網關模塊ZGM的功能。FEM安裝在前排乘客側腳步空間的A柱中。

SZL不再是控制單元，而是在電動機械式助力轉向系統EPS中檢測轉向角。SZL的主要任務有：檢測轉向柱上的開關信號；讀取多功能方向盤內操作元件的信號；將數據作為LIN總線上的信息輸出，或者通過直接導線傳輸數據；接通環路信號(如駕駛員安全氣囊)。SZL在左右兩側各有一個轉向柱開關，右側轉向柱開關用于操作刮水清洗裝置的功能，左側轉向柱開關用于操作遠光燈或轉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網總線(LIN總線)發送至FEM，由FEM控制單元執行請求。

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(局域互聯網絡)的簡稱，局域互聯網意味著所有總線設備都位于一個有限安裝區域，例如駕駛員車門。這是一種低成本的總線系統，可以在短距離內連接開關、顯示屏、傳感器和執行機構等控制元件。LIN總線是一種區域子網，它不能獨立工作，通常會與上層CAN網絡相連，形成CAN-LIN網關節點，再通過上一級的CAN總線連接到車輛網絡上去(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構，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，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送消息。

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

圖4 主機控制LIN線上數據傳輸的過程

數據幀的詳細結構比較復雜，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總線數據幀的結構。

圖5 LIN總線數據幀結構圖

LIN總線的信號電壓有隱形和顯性兩種狀態。隱形狀態，沒有信息發送時，數據總線的電壓接近蓄電池電壓，即邏輯“1”，此為隱形狀態。有信息發送時，數據總線切換到接地狀態，即邏輯“0”，此為顯性狀態(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總線收發器的結構有關。主機和從機都通過LIN收發器連接LIN總線上，其中發送器轉換需要傳輸的數據并將數據發送到總線上，接收器負責讀取總線信號。LIN收發器將單線LIN導線的信號轉換到用于微控制器和收發器之間讀取和寫入數據的標準雙線接口，并將來自微控制器的信號發送到LIN總線上。LIN發送器的工作原理如圖7所示。

圖7 LIN發送器的基本結構

發送器是在總線上生成信號的發送部件，其輸出級是一個NPN結構的三極管，可以簡單地將其理解為開關。當驅動器施加高電位至三極管的基極時三極管導通，LIN總線經輸出級切換為接地狀態，LIN總線上電壓接近0，即邏輯“0”的顯性狀態。因為所有收發器都以并聯方式連接至數據導線，所以LIN總線的接地狀態為顯性狀態，它可以覆蓋LIN總線接近蓄電池電壓的隱性狀態。當驅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。

上拉電阻可防止三極管導通時車載電壓對地短路，所有網絡節點內都有上拉電阻，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LIN數據導線倒流至車載電網和控制單元。

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數據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規范中規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，但是限制了最大數據傳輸率。

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

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，這是什么原因導致的？將電壓波形中的毛刺部分放大(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。繼續觀察其他毛刺，發現無應答的幀頭數量較多，僅少量數據幀是完整的。根據LIN總線通信原理，僅在主機發出請求信息時，從機才能參與數據交換，懷疑由于主機發送的幀頭電壓差值太小，無法被從機識別，從而產生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現，當主機模塊FEM發送數據時，線路電壓走向是：SZL模塊的收發器→LIN總線→FEM收發器返回蓄電池負極(圖11)。第一次測量的位置在SZL的插頭處，根據原理圖有兩種原因會導致故障波形：一是FEM模塊內部損壞；二是從測量點到FEM之間的線路存在虛接現象(見圖11中虛接電阻)。ZSL中的上拉電阻和虛接電阻構成串聯回路，根據串聯分壓原理，假如虛接電阻遠高于上拉電阻，FEM中三極管接地瞬間，測量點處的電壓就會偏高。

圖11 FEM發送數據時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，仔細觀察發現針腳母頭存在擴孔現象，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，發現活動非常自如，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，經過長時間試車，故障不再出現，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

CAN總線依靠雙絞線的結構來實現抗干擾的目的，而單根導線的LIN總線又是怎樣抗干擾呢？為確保數據穩定傳輸，LIN規范中規定了顯性電平和隱形電平的公差。接收器將接地及其內部供電電壓作為數據導線上的基準電壓。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)。對于發送器來說，規范中規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