LIN總線通訊建構車內次要電子控制系統

應用在車上的電子組件及設備增加，使得車上節點數也相對變多，不僅提高汽車生產制造成本，也導致車用總線通訊的成本提高了許多。相比之下，LIN總線則對MCU要求的資源較少，普通的串行口就能達成，一般LIN子節點所用的MCU只需要幾個位，并且LIN總線正是針對簡單的應用而設計。 因此，在CAN／LIN網絡中，CAN節點可連接發動機、變速箱等主要電控系統，而LIN節點用來連接門窗、儀表板、后視鏡、車燈等次要車內電子控制單元，這正是整合汽車成本、性能方面的權宜之計。 在車用總線網絡的發展過程中，本文將介紹一款新型A類汽車總線：LIN（Local Interconnect Network）的系統技術特點，在分析傳統汽車網絡的基礎上闡述了基于CAN／LIN總線的分級制車用網絡的優點，及其在汽車上的應用，衍生出LIN總線的子系統通訊網路。 低階車用電控系統　LIN發揮最大效益 總線通訊技術自從在20世紀后期開始應用在汽車上，另有電子技術和汽車技術推波助瀾發展下，至今已形成適用在車上不同應用范圍的車用總線標準，例如：MOST、CAN、TTP、LIN等。 目前有分別適用發動機和底盤控制、車身電器控制、車用多媒體等不同范圍的汽車總線標準。SAE（Society of Automotive Engineering）依照汽車上各系統不同的傳輸速度需求，大致上將汽車網絡總線歸納為A、B、C等三種類別，如表1所示。 表1 汽車網絡總線分類表（來源：美國汽車研究協會） 隨著汽車總線中通訊節點和數據流量不斷增加，加上節點也越來越繁雜，這使得汽車總線在重量、布置、成本、通信效率等方面有了較大阻力，將汽車總線的網絡化和分級制度付諸實行，面臨技術門檻也很高。 而在汽車總線通訊發展之際，傳輸速度小于10Kbps的A類型總線標準百花爭鳴，不過卻也沒有單一項協議能成為該領域的通用標準。但在1998年后，包括：Audi、Motorola、BMW、DaimlerChrysler、VCT、Volvo和Volkswagen等7家廠商聯合組成LIN協會，經積極地研究開發后，再根據車用A類總線應用特性的發展基礎下，開發出新型A類總線。而在LIN總線問世后，便以低廉成本及優異的性能表現，很快地就獲得各大廠商青睞，有望成為A類總線的國際標準。 LIN總線通訊的基本特性及應用優勢 LIN總線的結構非常簡單，在系統、設備搭配上也能靈活應用，加上成本低廉等優勢，使其成為的新型低速串行總線標準。它的主要工作是以CAN等高速總線的子系統或輔助型網絡。在面對到頻寬要求較低、功能簡單、實時性要求低的應用范圍，如：車身電子組件控制等方面，若導入LIN總線，將可有效的減少車上網絡線束、降低成本、提高網絡通訊效率及可靠性。 另一方面，LIN總線協議在終端架構中，可經由主節點來控制或調度所有的總線通訊，這個特點也能為訊號傳輸提供足夠的延遲時間，使車上系統具有可預測性，這對車上越來越多傳感器是絕對需要的，因此，LIN總線能夠擴張至16節點，而且不需要仲裁機制。 再者，LIN總線基于SCI／UART資料格式，采用單一系統主機到多個系統終端模式，總線僅由三根導線組成（電源、地線及資料線），LIN總線的驅動／接收器規范遵從ISO9141標準，且EMI性能有所提高。LIN在硬件和軟件上保證了網絡節點的互操作性，并可降低EMC、EMI等干擾問題。 此外，LIN也能做作為異步串行接口（UART／SCI接口）；因此，所有微控制器都具備LIN互相通連的硬設備，并在極少的訊號線就能符合ISO9141標準，傳輸速率甚至可達20Kb/s以上，最大總線長度則為40m。 單主機或多個終端模式，無需總線仲裁，在終端節點上也不需石英或陶瓷振蕩器就能實現自同步；保證信號傳輸的延遲時間；不需要改變LIN終端節點的硬件和軟件就可以在網絡上增加或刪除節點等。 最后，LIN總線標準的規范中更包含：傳輸協議規范、傳輸接口、開發工具接口，及軟件程序編制接口，并在LIN實現規范化后，改善較為低階車用網絡繁雜的狀況，還能降低車用電子組件及設備等服務、生產、開發與往后的維修及維護成本。 LIN拓樸結構及訊息傳輸 LIN采用單主機多個終端模式，一個LIN網絡包括一個主機節點和若干個終端節點，由于過多節點將導致網絡阻抗過低，一個LIN網絡中節點總數需低于16個節點。主機節點既是主機任務也是為終端任務，而在LIN總線中的資料是借助訊息來進行傳輸及響應等動作，并經由主機任務發送，具有同步間隔場、同步場和標識符場等3個部分。 同步場與同步間隔場：至少13個連續的顯性位（低電平），它標志著一個訊息傳遞的開始，其后為同步場，同步場邏輯值為0×55，終端節點利用同步場來實現與主機節點的同步動作，其標識符場必須在同步場后，長度則為一個字節，并以低階6位為標識符位，所組成64個標識符，其中60個用作一般訊息傳輸、2個用作診斷幀、1個用作用戶定義幀、1個留作LIN擴充使用，標識符后2位為奇偶校正位置。 標識符：指出當前訊息的內容，終端節點據此來確定自己是否該針對訊息做出響應及響應方式。響應由終端任務發送，它由資料場和校正和場組成。資料場由報文幀所攜帶的資料組成，長度為1*8個字節。 報文幀的最后為校驗和場，長度為1字節，LIN1.3及其以前的規范版本中規定校驗和場僅對資料場作校驗，稱為傳統校驗和，LIN2.0規范中規定校驗和場校驗范圍包括資料場和標識符場，稱為增強校正。基本上，可依照傳輸條件不同，分為絕對幀、觸發幀、離散幀、診斷幀、用戶定義幀和保留幀6種。 LIN的睡眠及喚醒狀態與錯誤監測和處理 LIN總線上的所有通訊都由主機節點中的主機任務發起，主機任務根據進度表來確定當前的通訊內容，發送相應的幀頭，并為報文幀分配幀信道。總線上的終端節點接收幀頭后，通過解讀標識符來確定自己是否應該對當前通訊做出響應、做出何種響應。基于這種報文濾波方式，LIN可實現多種數據傳輸模式，且一個報文幀可同時被多個節點接收利用。 睡眠狀態及喚醒狀態─需要時可終端機節點發送識別碼，例如：0×3C，且資料中的第一個字節為0的診斷訊號，將所有終端節點設置為睡眠狀態，如果總線在4秒鐘以上沒有任何反應，終端節點便會自動進入睡眠狀態，以降低功耗。 處于睡眠狀態的LIN網絡中的任何一個節點都可以請求喚醒總線，總線上的所有節點在接收到喚醒請求后應脫離睡眠狀態并為接收總線命令做好準備。主機節點接收到喚醒請求后也被喚醒，并在終端節點準備好后發送幀頭，尋找喚醒原因。 錯誤檢測和處理─在LIN規范定義了6種不同種類的訊息錯誤，包括：位錯誤、校驗和錯誤、標識符錯誤、終端不響應錯誤、總線不活動錯誤和同步場不一致錯誤，并可經由主機節點和終端節點分別監測這6項錯誤及處理。 LIN總線的通訊應用設計 LIN是一種低速串行總線，是針對車用電子控制系統而衍生，實現智能型傳感器及執行器的連接。由于CAN已在車內高速與多功能性的上層網絡構成主干，而在不需要CAN總線系統，則由LIN來構成下層局域網絡，實現分級制網絡結構，以達到合理分配利用網絡資源、提高線路布置的方便靈活性、降低成本的目的。 圖1 LIN總線拓墣結構及主機節點、終端節點基本架構（資料來源：Multiplex Bus Progression） 圖1是LIN總線拓墣結構及主機節點、終端節點基本架構，車門控制LIN網絡的結構及其在車門上的布置。從上圖得知，該網絡由主機節點、后視鏡節點、電動車窗節點、門鎖節點構成。由于主機節點是采用各控制開關來控制各系統狀態，還能接受CAN總線上的遠程信息，再根據控制指令，并將指令轉換為LIN訊息，則通過LIN網絡發送給相應終端節點，終端節點接收到與自己相關的訊息后，再進行判讀動作，最后則根據所獲得指令反應給執行器進行動作，從而控制車上的各個子系統設備。 另外，在同一時間，終端節點也分別將控制部件的狀態反應給主機節點，經由主機節點將該狀態信息透過指示燈號或喇叭告知駕駛人，又或者也能通過CAN總線發送給車上的其它控制單元。主機節點也作為LIN總線與上層CAN總線連接的網關。 LIN總線通訊實際應用案例 主機節點和終端節點控制器可采用PHILIPS的高性能8位單片機P87LPC768，該系統除了具有51系列的典型功能，能滿足LIN控制器的硬件要求外，還具有片內運用其振蕩器等模塊，能夠有效簡化LIN節點結構，進而降低成本。 以PHILIPS所生產的“TJA1020”LIN收發器為例，可用波特率范圍在2.4-20Kbits/s之間，具有較高抗電磁波的干擾性（EMI），可以自動修整輸出波形降低電磁輻射（EME）。并在傳輸速率低于10K b/s的同時，TJA1020可以工作在低斜率模式下，降低電磁輻射。 電源模塊主要由PHILIPS公司生產的電壓調節器SA57022構成，SA57022可通過ON/OFF引腳開啟或關閉，它與LIN收發器配合實現節點的睡眠和喚醒。主機節點的CAN接口由CAN控制器SAJ1000和CAN驅動器82C250組成。 終端節點中以BTS432等半導體功率開關器件取代傳統的繼電器作為各執行器的開關器件，具有響應迅速、可靠性高、結構緊湊等優點，并可通過其回饋引腳診斷負載狀態。 圖2 車門控制LIN網絡的主機節點和后視鏡終端節點的結構 圖2是車門控制LIN網絡的主機節點和后視鏡終端節點的結構。主機節點主要由控制器、電源