LIN总线通讯建构车内次要电子控制系统

应用在车上的电子组件及设备增加，使得车上节点数也相对变多，不仅提高汽车生产制造成本，也导致车用总线通讯的成本提高了许多。相比之下，LIN总线则对MCU要求的资源较少，普通的串行口就能达成，一般LIN子节点所用的MCU只需要几个位，并且LIN总线正是针对简单的应用而设计。 因此，在CAN／LIN网络中，CAN节点可连接发动机、变速箱等主要电控系统，而LIN节点用来连接门窗、仪表板、后视镜、车灯等次要车内电子控制单元，这正是整合汽车成本、性能方面的权宜之计。 在车用总线网络的发展过程中，本文将介绍一款新型A类汽车总线：LIN（Local Interconnect Network）的系统技术特点，在分析传统汽车网络的基础上阐述了基于CAN／LIN总线的分级制车用网络的优点，及其在汽车上的应用，衍生出LIN总线的子系统通讯网路。 低阶车用电控系统　LIN发挥最大效益 总线通讯技术自从在20世纪后期开始应用在汽车上，另有电子技术和汽车技术推波助澜发展下，至今已形成适用在车上不同应用范围的车用总线标准，例如：MOST、CAN、TTP、LIN等。 目前有分别适用发动机和底盘控制、车身电器控制、车用多媒体等不同范围的汽车总线标准。SAE（Society of Automotive Engineering）依照汽车上各系统不同的传输速度需求，大致上将汽车网络总线归纳为A、B、C等三种类别，如表1所示。 表1 汽车网络总线分类表（来源：美国汽车研究协会） 随着汽车总线中通讯节点和数据流量不断增加，加上节点也越来越繁杂，这使得汽车总线在重量、布置、成本、通信效率等方面有了较大阻力，将汽车总线的网络化和分级制度付诸实行，面临技术门槛也很高。 而在汽车总线通讯发展之际，传输速度小于10Kbps的A类型总线标准百花争鸣，不过却也没有单一项协议能成为该领域的通用标准。但在1998年后，包括：Audi、Motorola、BMW、DaimlerChrysler、VCT、Volvo和Volkswagen等7家厂商联合组成LIN协会，经积极地研究开发后，再根据车用A类总线应用特性的发展基础下，开发出新型A类总线。而在LIN总线问世后，便以低廉成本及优异的性能表现，很快地就获得各大厂商青睐，有望成为A类总线的国际标准。 LIN总线通讯的基本特性及应用优势 LIN总线的结构非常简单，在系统、设备搭配上也能灵活应用，加上成本低廉等优势，使其成为的新型低速串行总线标准。它的主要工作是以CAN等高速总线的子系统或辅助型网络。在面对到频宽要求较低、功能简单、实时性要求低的应用范围，如：车身电子组件控制等方面，若导入LIN总线，将可有效的减少车上网络线束、降低成本、提高网络通讯效率及可靠性。 另一方面，LIN总线协议在终端架构中，可经由主节点来控制或调度所有的总线通讯，这个特点也能为讯号传输提供足够的延迟时间，使车上系统具有可预测性，这对车上越来越多传感器是绝对需要的，因此，LIN总线能够扩张至16节点，而且不需要仲裁机制。 再者，LIN总线基于SCI／UART资料格式，采用单一系统主机到多个系统终端模式，总线仅由三根导线组成（电源、地线及资料线），LIN总线的驱动／接收器规范遵从ISO9141标准，且EMI性能有所提高。LIN在硬件和软件上保证了网络节点的互操作性，并可降低EMC、EMI等干扰问题。 此外，LIN也能做作为异步串行接口（UART／SCI接口）；因此，所有微控制器都具备LIN互相通连的硬设备，并在极少的讯号线就能符合ISO9141标准，传输速率甚至可达20Kb/s以上，最大总线长度则为40m。 单主机或多个终端模式，无需总线仲裁，在终端节点上也不需石英或陶瓷振荡器就能实现自同步；保证信号传输的延迟时间；不需要改变LIN终端节点的硬件和软件就可以在网络上增加或删除节点等。 最后，LIN总线标准的规范中更包含：传输协议规范、传输接口、开发工具接口，及软件程序编制接口，并在LIN实现规范化后，改善较为低阶车用网络繁杂的状况，还能降低车用电子组件及设备等服务、生产、开发与往后的维修及维护成本。 LIN拓朴结构及讯息传输 LIN采用单主机多个终端模式，一个LIN网络包括一个主机节点和若干个终端节点，由于过多节点将导致网络阻抗过低，一个LIN网络中节点总数需低于16个节点。主机节点既是主机任务也是为终端任务，而在LIN总线中的资料是借助讯息来进行传输及响应等动作，并经由主机任务发送，具有同步间隔场、同步场和标识符场等3个部分。 同步场与同步间隔场：至少13个连续的显性位（低电平），它标志着一个讯息传递的开始，其后为同步场，同步场逻辑值为0×55，终端节点利用同步场来实现与主机节点的同步动作，其标识符场必须在同步场后，长度则为一个字节，并以低阶6位为标识符位，所组成64个标识符，其中60个用作一般讯息传输、2个用作诊断帧、1个用作用户定义帧、1个留作LIN扩充使用，标识符后2位为奇偶校正位置。 标识符：指出当前讯息的内容，终端节点据此来确定自己是否该针对讯息做出响应及响应方式。响应由终端任务发送，它由资料场和校正和场组成。资料场由报文帧所携带的资料组成，长度为1*8个字节。 报文帧的最后为校验和场，长度为1字节，LIN1.3及其以前的规范版本中规定校验和场仅对资料场作校验，称为传统校验和，LIN2.0规范中规定校验和场校验范围包括资料场和标识符场，称为增强校正。基本上，可依照传输条件不同，分为绝对帧、触发帧、离散帧、诊断帧、用户定义帧和保留帧6种。 LIN的睡眠及唤醒状态与错误监测和处理 LIN总线上的所有通讯都由主机节点中的主机任务发起，主机任务根据进度表来确定当前的通讯内容，发送相应的帧头，并为报文帧分配帧信道。总线上的终端节点接收帧头后，通过解读标识符来确定自己是否应该对当前通讯做出响应、做出何种响应。基于这种报文滤波方式，LIN可实现多种数据传输模式，且一个报文帧可同时被多个节点接收利用。 睡眠状态及唤醒状态─需要时可终端机节点发送识别码，例如：0×3C，且资料中的第一个字节为0的诊断讯号，将所有终端节点设置为睡眠状态，如果总线在4秒钟以上没有任何反应，终端节点便会自动进入睡眠状态，以降低功耗。 处于睡眠状态的LIN网络中的任何一个节点都可以请求唤醒总线，总线上的所有节点在接收到唤醒请求后应脱离睡眠状态并为接收总线命令做好准备。主机节点接收到唤醒请求后也被唤醒，并在终端节点准备好后发送帧头，寻找唤醒原因。 错误检测和处理─在LIN规范定义了6种不同种类的讯息错误，包括：位错误、校验和错误、标识符错误、终端不响应错误、总线不活动错误和同步场不一致错误，并可经由主机节点和终端节点分别监测这6项错误及处理。 LIN总线的通讯应用设计 LIN是一种低速串行总线，是针对车用电子控制系统而衍生，实现智能型传感器及执行器的连接。由于CAN已在车内高速与多功能性的上层网络构成主干，而在不需要CAN总线系统，则由LIN来构成下层局域网络，实现分级制网络结构，以达到合理分配利用网络资源、提高线路布置的方便灵活性、降低成本的目的。 图1 LIN总线拓墣结构及主机节点、终端节点基本架构（资料来源：Multiplex Bus Progression） 图1是LIN总线拓墣结构及主机节点、终端节点基本架构，车门控制LIN网络的结构及其在车门上的布置。从上图得知，该网络由主机节点、后视镜节点、电动车窗节点、门锁节点构成。由于主机节点是采用各控制开关来控制各系统状态，还能接受CAN总线上的远程信息，再根据控制指令，并将指令转换为LIN讯息，则通过LIN网络发送给相应终端节点，终端节点接收到与自己相关的讯息后，再进行判读动作，最后则根据所获得指令反应给执行器进行动作，从而控制车上的各个子系统设备。 另外，在同一时间，终端节点也分别将控制部件的状态反应给主机节点，经由主机节点将该状态信息透过指示灯号或喇叭告知驾驶人，又或者也能通过CAN总线发送给车上的其它控制单元。主机节点也作为LIN总线与上层CAN总线连接的网关。 LIN总线通讯实际应用案例 主机节点和终端节点控制器可采用PHILIPS的高性能8位单片机P87LPC768，该系统除了具有51系列的典型功能，能满足LIN控制器的硬件要求外，还具有片内运用其振荡器等模块，能够有效简化LIN节点结构，进而降低成本。 以PHILIPS所生产的“TJA1020”LIN收发器为例，可用波特率范围在2.4-20Kbits/s之间，具有较高抗电磁波的干扰性（EMI），可以自动修整输出波形降低电磁辐射（EME）。并在传输速率低于10K b/s的同时，TJA1020可以工作在低斜率模式下，降低电磁辐射。 电源模块主要由PHILIPS公司生产的电压调节器SA57022构成，SA57022可通过ON/OFF引脚开启或关闭，它与LIN收发器配合实现节点的睡眠和唤醒。主机节点的CAN接口由CAN控制器SAJ1000和CAN驱动器82C250组成。 终端节点中以BTS432等半导体功率开关器件取代传统的继电器作为各执行器的开关器件，具有响应迅速、可靠性高、结构紧凑等优点，并可通过其回馈引脚诊断负载状态。 图2 车门控制LIN网络的主机节点和后视镜终端节点的结构 图2是车门控制LIN网络的主机节点和后视镜终端节点的结构。主机节点主要由控制器、电源