◆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(dòng)機(jī)，行駛里程為50 000km。該車因車內(nèi)進(jìn)水而進(jìn)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(fù)安裝過程中出現(xiàn)雨刮開關(guān)、轉(zhuǎn)向燈和遠(yuǎn)光燈開關(guān)失靈，且雨刮器處于應(yīng)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(zhǎng)時(shí)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(chǔ)有故障碼(圖1)D90C0A-LIN主控但愿K_LIN_16無通信。引導(dǎo)功能提示：大于1s無通信，就會(huì)記錄該故障碼，造成的后果是無法與轉(zhuǎn)向柱開關(guān)中心SZL通信。

圖1 故障車內(nèi)存儲(chǔ)的故障信息

在正式診斷之前，先簡(jiǎn)單了解一下寶馬車系前部電子模塊FEM和轉(zhuǎn)向柱開關(guān)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(luò)中的中央控制單元，同時(shí)也是其他控制單元的網(wǎng)關(guān)。FEM承擔(dān)了源自舊控制單元中的腳步空間模塊FRM、便捷進(jìn)入啟動(dòng)系統(tǒng)CAS、接線盒電子裝置JBE和中央網(wǎng)關(guān)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(dòng)機(jī)械式助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS中檢測(cè)轉(zhuǎn)向角。SZL的主要任務(wù)有：檢測(cè)轉(zhuǎn)向柱上的開關(guān)信號(hào)；讀取多功能方向盤內(nèi)操作元件的信號(hào)；將數(shù)據(jù)作為L(zhǎng)IN總線上的信息輸出，或者通過直接導(dǎo)線傳輸數(shù)據(jù)；接通環(huán)路信號(hào)(如駕駛員安全氣囊)。SZL在左右兩側(cè)各有一個(gè)轉(zhuǎn)向柱開關(guān)，右側(cè)轉(zhuǎn)向柱開關(guān)用于操作刮水清洗裝置的功能，左側(cè)轉(zhuǎn)向柱開關(guān)用于操作遠(yuǎn)光燈或轉(zhuǎn)向信號(hào)燈以及車載電腦的功能。SZL處理這兩個(gè)開關(guān)的信號(hào)，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(qǐng)求。

FEM和SZL之間的電路連接關(guān)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L(zhǎng)IN總線控制的主從關(guān)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(guān)電路

LIN是Local Interconnect Network(局域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò))的簡(jiǎn)稱，局域互聯(lián)網(wǎng)意味著所有總線設(shè)備都位于一個(gè)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(guān)、顯示屏、傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等控制元件。LIN總線是一種區(qū)域子網(wǎng)，它不能獨(dú)立工作，通常會(huì)與上層CAN網(wǎng)絡(luò)相連，形成CAN-LIN網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，再通過上一級(jí)的CAN總線連接到車輛網(wǎng)絡(luò)上去(圖3)。LIN總線采用的是單線傳輸形式，應(yīng)用了單主機(jī)多從機(jī)的結(jié)構(gòu)，一個(gè)主機(jī)最多可連接16個(gè)從機(jī)，傳輸速率最高為20kBit/s。

圖3 LIN總線的主從關(guān)系

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

主機(jī)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(yīng)答這兩部分組成，主機(jī)向總線上發(fā)送請(qǐng)求(幀頭)，從機(jī)或主機(jī)根據(jù)幀頭發(fā)送應(yīng)答(圖4)。也就是說主機(jī)既能發(fā)送幀頭也能發(fā)送應(yīng)答，而從機(jī)僅能發(fā)送應(yīng)答。

圖4 主機(jī)控制LIN線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程

數(shù)據(jù)幀的詳細(xì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，并且與本車故障關(guān)系不大，為此不做詳細(xì)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(hào)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(shí)，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(shí)，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(hào)電壓

為什么LIN總線上的信號(hào)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(guān)。主機(jī)和從機(jī)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(fù)責(zé)讀取總線信號(hào)。LIN收發(fā)器將單線LIN導(dǎo)線的信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)雙線接口，并將來自微控制器的信號(hào)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(hào)的發(fā)送部件，其輸出級(jí)是一個(gè)NPN結(jié)構(gòu)的三極管，可以簡(jiǎn)單地將其理解為開關(guān)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器施加高電位至三極管的基極時(shí)三極管導(dǎo)通，LIN總線經(jīng)輸出級(jí)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?yàn)樗惺瞻l(fā)器都以并聯(lián)方式連接至數(shù)據(jù)導(dǎo)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(dāng)驅(qū)動(dòng)器不在三極管的基極施加電壓時(shí)，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(shí)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(dǎo)通時(shí)車載電壓對(duì)地短路，所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)內(nèi)都有上拉電阻，在主機(jī)中其電阻值為1kΩ，在從機(jī)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(dǎo)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?yàn)長(zhǎng)IN數(shù)據(jù)總線的信號(hào)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(hào)電壓的最大上升和下降速率時(shí)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(gè)運(yùn)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(dāng)總線電壓高于1/2車載電壓，運(yùn)放輸出高電位；當(dāng)總線電壓低于1/2車載電壓，運(yùn)放將輸出端接地電位。

圖8 LIN總線接收器的基本機(jī)構(gòu)

了解了上述相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)以后，再來診斷這個(gè)故障就比較簡(jiǎn)單。拆下轉(zhuǎn)向柱的護(hù)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(hào)針腳(故障碼中的LIN_16)。用萬用表測(cè)量電壓為10.45V，這個(gè)電壓是否正常？由于萬用表的采樣率太低，所測(cè)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(cè)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(dòng)，變化幅度非常小，僅有0.5V左右，這是什么原因?qū)е碌模繉㈦妷翰ㄐ沃械拿滩糠址糯?圖10)后進(jìn)行觀察。從中依稀能辨認(rèn)出這是一個(gè)幀頭，缺少應(yīng)答部分。繼續(xù)觀察其他毛刺，發(fā)現(xiàn)無應(yīng)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(jī)發(fā)出請(qǐng)求信息時(shí)，從機(jī)才能參與數(shù)據(jù)交換，懷疑由于主機(jī)發(fā)送的幀頭電壓差值太小，無法被從機(jī)識(shí)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(gè)總線設(shè)備的通信原理圖發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主機(jī)模塊FEM發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，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(fù)極(圖11)。第一次測(cè)量的位置在SZL的插頭處，根據(jù)原理圖有兩種原因會(huì)導(dǎo)致故障波形：一是FEM模塊內(nèi)部損壞；二是從測(cè)量點(diǎn)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(yuǎn)高于上拉電阻，F(xiàn)EM中三極管接地瞬間，測(cè)量點(diǎn)處的電壓就會(huì)偏高。

圖11 FEM發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)LIN總線電壓的走向

用示波器再次測(cè)量FEM模塊處的LIN線波形，以驗(yàn)證LIN線是否虛接，沒想到連接好示波器后車輛突然恢復(fù)正常，接著用手來回拽動(dòng)線束，所測(cè)波形隨著手部動(dòng)作一會(huì)兒正常，一會(huì)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(xì)觀察發(fā)現(xiàn)針腳母頭存在擴(kuò)孔現(xiàn)象，這是故障原因嗎？將母頭套在控制器對(duì)應(yīng)的公頭針腳上，來回插拔母頭，發(fā)現(xiàn)活動(dòng)非常自如，沒有針腳接實(shí)的卡滯感，由此判斷母頭擴(kuò)孔的確導(dǎo)致針腳接觸不良。用尖嘴鉗夾緊針腳母頭，讓針孔收縮，修復(fù)FEM的LIN線針腳，隨后裝復(fù)插頭，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間試車，故障不再出現(xiàn)，測(cè)量LIN線電壓波形也恢復(fù)正常，至此確認(rèn)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(shí)現(xiàn)抗干擾的目的，而單根導(dǎo)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(dǎo)線上的基準(zhǔn)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(duì)于發(fā)送器來說，規(guī)范中規(guī)定顯性和隱形電平與基準(zhǔn)電壓的最大允許偏差為10%。

圖12 接收器的電壓限制