2015款宝马320Li转向柱开关中心功能失灵

◆文/北京 任贺新

故障现象

一辆2015款宝马320Li(F35)，搭载N20B20D型发动机，行驶里程为50 000km。该车因车内进水而进厂维修，经检查天窗前部排水孔堵塞，两前座椅区域都有积水，修理工拆卸并晾晒前部区域地毯，在恢复安装过程中出现雨刮开关、转向灯和远光灯开关失灵，且雨刮器处于应急状态，不受控制地一直在刮水。

故障诊断与排除

为避免雨刮因长时间工作而损坏，先拔下了雨刮器插头，在连接ISTA读取车辆故障信息，在前部电子模块FEM中存储有故障码(图1)D90C0A-LIN主控但愿K_LIN_16无通信。引导功能提示：大于1s无通信，就会记录该故障码，造成的后果是无法与转向柱开关中心SZL通信。

图1 故障车内存储的故障信息

在正式诊断之前，先简单了解一下宝马车系前部电子模块FEM和转向柱开关中心SZL的功能。

随着FEM的引入，以前的控制单元及其功能由新一代产品所取代。FEM是车载网络中的中央控制单元，同时也是其他控制单元的网关。FEM承担了源自旧控制单元中的脚步空间模块FRM、便捷进入启动系统CAS、接线盒电子装置JBE和中央网关模块ZGM的功能。FEM安装在前排乘客侧脚步空间的A柱中。

SZL不再是控制单元，而是在电动机械式助力转向系统EPS中检测转向角。SZL的主要任务有：检测转向柱上的开关信号；读取多功能方向盘内操作元件的信号；将数据作为LIN总线上的信息输出，或者通过直接导线传输数据；接通环路信号(如驾驶员安全气囊)。SZL在左右两侧各有一个转向柱开关，右侧转向柱开关用于操作刮水清洗装置的功能，左侧转向柱开关用于操作远光灯或转向信号灯以及车载电脑的功能。SZL处理这两个开关的信号，并将信息通过局域互联网总线(LIN总线)发送至FEM，由FEM控制单元执行请求。

FEM和SZL之间的电路连接关系如图2所示(红色箭头所指线路为FEM至SZL的LIN总线)，他们之间为LIN总线控制的主从关系，其中FEM是主控单元，SZL为从控单元。

图2 故障车型FEM和SZL相关电路

LIN是Local Interconnect Network(局域互联网络)的简称，局域互联网意味着所有总线设备都位于一个有限安装区域，例如驾驶员车门。这是一种低成本的总线系统，可以在短距离内连接开关、显示屏、传感器和执行机构等控制元件。LIN总线是一种区域子网，它不能独立工作，通常会与上层CAN网络相连，形成CAN-LIN网关节点，再通过上一级的CAN总线连接到车辆网络上去(图3)。LIN总线采用的是单线传输形式，应用了单主机多从机的结构，一个主机最多可连接16个从机，传输速率最高为20kBit/s。

图3 LIN总线的主从关系

LIN总线是基于主从模式的通信系统，主机控制总线上所有的通信过程，从机只有在主机许可下才能向总线上发送消息。

主机怎样控制子网内每条数据的传输过程呢？LIN总线的数据帧由帧头和应答这两部分组成，主机向总线上发送请求(帧头)，从机或主机根据帧头发送应答(图4)。也就是说主机既能发送帧头也能发送应答，而从机仅能发送应答。

图4 主机控制LIN线上数据传输的过程

数据帧的详细结构比较复杂，并且与本车故障关系不大，为此不做详细介绍，但通过图5可大致了解LIN总线数据帧的结构。

图5 LIN总线数据帧结构图

LIN总线的信号电压有隐形和显性两种状态。隐形状态，没有信息发送时，数据总线的电压接近蓄电池电压，即逻辑“1”，此为隐形状态。有信息发送时，数据总线切换到接地状态，即逻辑“0”，此为显性状态(图6)。

图6 LIN总线的信号电压

为什么LIN总线上的信号电压是这样变化的？这主要是与LIN总线收发器的结构有关。主机和从机都通过LIN收发器连接LIN总线上，其中发送器转换需要传输的数据并将数据发送到总线上，接收器负责读取总线信号。LIN收发器将单线LIN导线的信号转换到用于微控制器和收发器之间读取和写入数据的标准双线接口，并将来自微控制器的信号发送到LIN总线上。LIN发送器的工作原理如图7所示。

图7 LIN发送器的基本结构

发送器是在总线上生成信号的发送部件，其输出级是一个NPN结构的三极管，可以简单地将其理解为开关。当驱动器施加高电位至三极管的基极时三极管导通，LIN总线经输出级切换为接地状态，LIN总线上电压接近0，即逻辑“0”的显性状态。因为所有收发器都以并联方式连接至数据导线，所以LIN总线的接地状态为显性状态，它可以覆盖LIN总线接近蓄电池电压的隐性状态。当驱动器不在三极管的基极施加电压时，三极管断开，车载电压经二极管和上拉电阻输出至LIN总线上，此时LIN总线上的电压接近蓄电池电压，即逻辑“1”的隐性状态。

上拉电阻可防止三极管导通时车载电压对地短路，所有网络节点内都有上拉电阻，在主机中其电阻值为1kΩ，在从机中为30kΩ。上拉电阻前的二极管可防止电流经LIN数据导线倒流至车载电网和控制单元。

另外，前面提到LIN总线的最大传输速度为20kBit/s，这是为什么？因为LIN数据总线的信号沿较陡且电压升降量较大，造成电磁干扰辐射较大，所以LIN规范中规定信号电压的最大上升和下降速率时间为1～3V/us，这样能获得较好的电磁兼容性，但是限制了最大数据传输率。

LIN接收器的工作原理如图8所示。接收器的核心部件是一个运算放大器，即图8中的比较器，它将总线上电压与1/2车载电压作比较，输出电压经图8中接收端口传输至微控制器。当总线电压高于1/2车载电压，运放输出高电位；当总线电压低于1/2车载电压，运放将输出端接地电位。

图8 LIN总线接收器的基本机构

了解了上述相关基础知识以后，再来诊断这个故障就比较简单。拆下转向柱的护板，在不断开插头连接的情况下，用“背刺”的方式将探针连接至转向柱中心插头A83＊1B的11号针脚(故障码中的LIN_16)。用万用表测量电压为10.45V，这个电压是否正常？由于万用表的采样率太低，所测电压为平均值，无法用于分析故障。接着将示波器连接至刺针，测得波形如图9所示。

图9 故障车LIN总线的电压波形

LIN线电压以10.45V为中心上下波动，变化幅度非常小，仅有0.5V左右，这是什么原因导致的？将电压波形中的毛刺部分放大(图10)后进行观察。从中依稀能辨认出这是一个帧头，缺少应答部分。继续观察其他毛刺，发现无应答的帧头数量较多，仅少量数据帧是完整的。根据LIN总线通信原理，仅在主机发出请求信息时，从机才能参与数据交换，怀疑由于主机发送的帧头电压差值太小，无法被从机识别，从而产生LIN_16无通信故障码。

图10 故障车LIN总线放大后的波形

为什么前部电子模块FEM在LIN总线发送的电压差值这么小呢？查看多个总线设备的通信原理图发现，当主机模块FEM发送数据时，线路电压走向是：SZL模块的收发器→LIN总线→FEM收发器返回蓄电池负极(图11)。第一次测量的位置在SZL的插头处，根据原理图有两种原因会导致故障波形：一是FEM模块内部损坏；二是从测量点到FEM之间的线路存在虚接现象(见图11中虚接电阻)。ZSL中的上拉电阻和虚接电阻构成串联回路，根据串联分压原理，假如虚接电阻远高于上拉电阻，FEM中三极管接地瞬间，测量点处的电压就会偏高。

图11 FEM发送数据时LIN总线电压的走向

用示波器再次测量FEM模块处的LIN线波形，以验证LIN线是否虚接，没想到连接好示波器后车辆突然恢复正常，接着用手来回拽动线束，所测波形随着手部动作一会儿正常，一会儿不正常，怀疑FEM模块处的LIN线针脚虚接。

拔下FEM模块插头，用退针工具挑出LIN线针脚，仔细观察发现针脚母头存在扩孔现象，这是故障原因吗？将母头套在控制器对应的公头针脚上，来回插拔母头，发现活动非常自如，没有针脚接实的卡滞感，由此判断母头扩孔的确导致针脚接触不良。用尖嘴钳夹紧针脚母头，让针孔收缩，修复FEM的LIN线针脚，随后装复插头，经过长时间试车，故障不再出现，测量LIN线电压波形也恢复正常，至此确认该车故障被彻底排除。

维修小结

CAN总线依靠双绞线的结构来实现抗干扰的目的，而单根导线的LIN总线又是怎样抗干扰呢？为确保数据稳定传输，LIN规范中规定了显性电平和隐形电平的公差。接收器将接地及其内部供电电压作为数据导线上的基准电压。如果电压低于供电电压的40%，则接收器将该数值解释为逻辑“0”或显性电平；如果电压值超过60%，则为逻辑“1”或隐形电平(图12)。对于发送器来说，规范中规定显性和隐形电平与基准电压的最大允许偏差为10%。

图12 接收器的电压限制