基于LIN總線的汽車分級制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) - 全文

　　1、引言

　　汽車總線中通訊節(jié)點和數(shù)據(jù)流量持續(xù)增加，節(jié)點日益復(fù)雜，使得汽車總線在重量、布置、成本、通信效率等方面面臨困境，走出這一困境的出路在于實行汽車總線的網(wǎng)絡(luò)化和分級制。A類總線——局域互連網(wǎng)LIN(LocalInterconnectNetwork)因此應(yīng)運而生。LIN是一種結(jié)構(gòu)

　　簡單、配置靈活、成本低廉的新型低速串行總線，主要用作CAN等高速總線的輔助網(wǎng)絡(luò)或子網(wǎng)絡(luò)。在帶寬要求不高、功能簡單、實時性要求低的場合，如車身電器的控制等方面，使用LIN總線，可有效的簡化網(wǎng)絡(luò)線束、降低成本、提高網(wǎng)絡(luò)通訊效率和可靠性。

　　2、汽車網(wǎng)絡(luò)

　　目前有分別適用發(fā)動機(jī)和底盤控制、車身電器控制、車載多媒體等不同場合的多種汽車總線標(biāo)準(zhǔn)。SAE(SocietyofAutomotiveEngineering)按傳輸速度的不同將汽車網(wǎng)絡(luò)總線分為三類，如表1所示。

　　表一汽車網(wǎng)絡(luò)分類

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　　A類總線協(xié)議有許多種，然而長久以來卻沒有一種協(xié)議能成為該領(lǐng)域的通用標(biāo)準(zhǔn)。1998年Audi、Motorola、BMW、DaimlerChrysler、VCT、Volvo和Volkswagen七家公司聯(lián)合成立了LIN協(xié)會，在潛心研究A類總線的基礎(chǔ)上提出了新型A類總線——LIN，該總線一經(jīng)面世，即以其低廉的成本優(yōu)異的性能廣為各大廠商所接受，有望成為A類總線的國際標(biāo)準(zhǔn)。

　　3、LIN

　　LIN總線基于SCI/UART數(shù)據(jù)格式，采用單主機(jī)多從機(jī)模式，總線僅由三根導(dǎo)線組成(電源、地線和數(shù)據(jù)線)，LIN總線的驅(qū)動/接收器規(guī)范遵從ISO9141標(biāo)準(zhǔn)，且EMI性能有所提高。LIN在硬件和軟件上保證了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的互操作性，并可預(yù)測EMC。

　　LIN的主要特點：成本低，基于通用UART/SCI接口，幾乎所有微控制器都具備LIN必需的硬件;極少的信號線就可實現(xiàn)ISO9141標(biāo)準(zhǔn);傳輸速率最高可達(dá)20Kb/s，最大總線長度40m;單主機(jī)/多從機(jī)模式，無需總線仲裁;從機(jī)節(jié)點不需石英或陶瓷振蕩器就能實現(xiàn)自同步;保證信號傳輸?shù)难舆t時間;不需要改變LIN從機(jī)節(jié)點的硬件和軟件就可以在網(wǎng)絡(luò)上增加或刪除節(jié)點等。

　　LIN總線規(guī)范的初始版本LIN1.0由LIN協(xié)會在1999年7月發(fā)布，后幾經(jīng)修訂，現(xiàn)行版本為LIN協(xié)會在2003年9月發(fā)布的LIN2.0。LIN規(guī)范包括傳輸協(xié)議規(guī)范、傳輸媒介、開發(fā)工具接口和軟件程序編制接口。LIN的規(guī)范化將改變低端汽車網(wǎng)絡(luò)雜亂的現(xiàn)狀，并將降低汽車電子設(shè)備的開發(fā)、生產(chǎn)、服務(wù)和維護(hù)成本

　　3、1LIN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　LIN采用單主機(jī)多從機(jī)模式，一個LIN網(wǎng)絡(luò)包括一個主機(jī)節(jié)點和若干個從機(jī)節(jié)點。

　　(由于過多節(jié)點將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)阻抗過低，一個LIN網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點總數(shù)不宜超過16。)主機(jī)節(jié)點既包括主機(jī)任務(wù)也包括從機(jī)任務(wù)，從機(jī)節(jié)點都只包括從機(jī)任務(wù)，如圖1所示。主機(jī)節(jié)點也可以通過網(wǎng)關(guān)和其他總線如CAN連接。

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　　3、2LIN數(shù)據(jù)傳輸

　　LIN總線中數(shù)據(jù)借助報文幀來傳輸，報文幀由報文頭和響應(yīng)組成。

　　報文頭只能由主機(jī)任務(wù)發(fā)送，它包括同步間隔場、同步場和標(biāo)識符場三個部分。同步間隔場為至少13個連續(xù)的顯性位(低電平)，它標(biāo)志著一個報文幀的開始。其后為同步場，同步場邏輯值為0x55，從機(jī)節(jié)點利用同步場來實現(xiàn)與主機(jī)節(jié)點的同步。標(biāo)識符場緊跟在同步場之后，長度為一個字節(jié)。標(biāo)識符場中低6位為標(biāo)識符位，共可組成64個標(biāo)識符，其中60個用作一般報文傳輸、兩個用作診斷幀、一個用作用戶定義幀、一個留作LIN擴(kuò)展用。標(biāo)識符后兩位為奇偶校驗位。

　　標(biāo)識符指出當(dāng)前幀的內(nèi)容，從機(jī)節(jié)點據(jù)此來確定自己是否應(yīng)該對當(dāng)前幀做出響應(yīng)、做出何種響應(yīng)。

　　響應(yīng)由從機(jī)任務(wù)發(fā)送，它由數(shù)據(jù)場和校驗和場組成。數(shù)據(jù)場由報文幀所攜帶的數(shù)據(jù)組成，長度為一到八個字節(jié)。報文幀的最后為校驗和場，長度為一字節(jié)，LIN1.3及其以前的規(guī)范版本中規(guī)定校驗和場僅對數(shù)據(jù)場作校驗，稱為傳統(tǒng)校驗和，LIN2.0規(guī)范中規(guī)定校驗和場校驗范圍包括數(shù)據(jù)場和標(biāo)識符場，稱為增強校驗和。

　　一個完整的報文幀如圖2所示。

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　　圖2LIN報文幀

　　根據(jù)傳輸條件的不同，報文幀可分為絕對幀、觸發(fā)幀、離散幀、診斷幀、用戶定義幀和保留幀六種[2]。LIN總線上的所有通訊都由主機(jī)節(jié)點中的主機(jī)任務(wù)發(fā)起，主機(jī)任務(wù)根據(jù)進(jìn)度表來確定當(dāng)前的通訊內(nèi)容，發(fā)送相應(yīng)的幀頭，并為報文幀分配幀通道。總線上的從機(jī)節(jié)點接收幀頭之后，通過解讀標(biāo)識符來確定自己是否應(yīng)該對當(dāng)前通訊做出響應(yīng)、做出何種響應(yīng)。基于這種報文濾波方式，LIN可實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)傳輸模式，且一個報文幀可以同時被多個節(jié)點接收利用，如圖3所示。

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　　圖3LIN數(shù)據(jù)傳輸模式

　　3.3總線睡眠和喚醒

　　需要時可由主機(jī)節(jié)點發(fā)送一個標(biāo)識符為0x3C且數(shù)據(jù)場中首字節(jié)為0的診斷幀將所有從機(jī)節(jié)點置為睡眠狀態(tài)，如果總線在4秒鐘以上沒有任何活動，從機(jī)節(jié)點也自動進(jìn)入睡眠狀態(tài)，以減小功耗。

　　處于睡眠狀態(tài)的LIN網(wǎng)絡(luò)中的任何一個節(jié)點都可以請求喚醒總線，總線上的所有節(jié)點在接收到喚醒請求后應(yīng)脫離睡眠狀態(tài)并為接收總線命令做好準(zhǔn)備。主機(jī)節(jié)點接收到喚醒請求后也被喚醒，并在從機(jī)節(jié)點準(zhǔn)備好之后發(fā)送幀頭，尋找喚醒原因。

　　3.4錯誤檢測和處理

　　LIN規(guī)范定義了六種不同類型的報文錯誤：位錯誤、校驗和錯誤、標(biāo)識符錯誤、從機(jī)不響應(yīng)錯誤、總線不活動錯誤和同步場不一致錯誤。主機(jī)節(jié)點和從機(jī)節(jié)點分別檢測這六種錯誤中的若干種。

　　4.LIN應(yīng)用設(shè)計

　　LIN是一種低速串行總線，其提出是針對汽車應(yīng)用的，主要用于汽車電子控制系統(tǒng)，實現(xiàn)智能傳感器、執(zhí)行器等的連接。LIN定位于汽車上的下層局部網(wǎng)絡(luò)。由CAN構(gòu)成汽

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　　圖4基于CAN/LIN的分級制汽車網(wǎng)絡(luò)

　　車的上層主干網(wǎng)絡(luò)，而在不需要CAN的高速與多功能性的場合則由LIN來構(gòu)成下層局部網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)分級制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以達(dá)到合理分配利用網(wǎng)絡(luò)資源、提高線路布置的方便靈活性、降低成本的目的。典型的基于CAN-LIN總線的分級制汽車車身網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

　　現(xiàn)以車門LIN網(wǎng)絡(luò)為例介紹LIN總線設(shè)計的一般方法。

　　車門控制LIN網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)及其在車門上的布置如圖5所示，該網(wǎng)絡(luò)由主機(jī)節(jié)點、后視鏡從機(jī)節(jié)點、搖窗機(jī)從機(jī)節(jié)點、門鎖從機(jī)節(jié)點構(gòu)成。

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　　圖5車門控制LIN網(wǎng)絡(luò)

　　主機(jī)節(jié)點采集本地各控制開關(guān)的狀態(tài)并接受CAN總線上的遠(yuǎn)程信息，據(jù)此產(chǎn)生控制指令，并將指令轉(zhuǎn)換為LIN報文幀通過LIN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給相應(yīng)從機(jī)節(jié)點，從機(jī)節(jié)點接收到與自己相關(guān)的報文幀后對報文幀進(jìn)行拆封、解讀，然后根據(jù)獲得的指令控制相應(yīng)的執(zhí)行器動作，從而實現(xiàn)對車門各部件的控制。同時，在需要時從機(jī)節(jié)點分別將其控制部件所處狀態(tài)反饋給主機(jī)節(jié)點，主機(jī)節(jié)點再將該狀態(tài)信息通過指示燈或喇叭提供給駕駛員或通過CAN總線發(fā)送給其他控制單元。主機(jī)節(jié)點也作為本LIN網(wǎng)絡(luò)與上層CAN網(wǎng)絡(luò)連接的網(wǎng)關(guān)。

　　圖6為車門控制LIN網(wǎng)絡(luò)的主機(jī)節(jié)點和后視鏡從機(jī)節(jié)點的結(jié)構(gòu)框圖圖。主機(jī)節(jié)點主要由控制器、電源、控制按鈕、LIN接口、CAN接口和指示燈幾部分組成。后視鏡從機(jī)節(jié)點主要由控制器、電源、LIN接口、執(zhí)行器驅(qū)動單元和執(zhí)行器如后視鏡調(diào)整電機(jī)、除霜加熱器等組成。

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　　主機(jī)節(jié)點和從機(jī)節(jié)點控制器均采用PHILIPS的高性能8位單片機(jī)P87LPC768，該單片機(jī)除具有51系列單片機(jī)典型功能，完全滿足LIN控制器的硬件要求外，還具有片內(nèi)看門狗和振蕩器等模塊，可有效簡化LIN節(jié)點結(jié)構(gòu)，降低成本。LIN收發(fā)器采用PHILIPS公司生產(chǎn)的TJA1020，其可用波特率范圍2.4-20Kbits/s，它具有較高的抗電磁干擾性(EMI),可以自動修整輸出波形降低電磁輻射(EME)，且當(dāng)傳輸速率低于10Kb/s時,TJA1020可以工作在低斜率模式下而進(jìn)一步降低電磁輻射。電源模塊主要由PHILIPS公司生產(chǎn)的電壓調(diào)節(jié)器SA57022構(gòu)成，SA57022可通過ON/OFF引腳開啟或關(guān)閉，它與LIN收發(fā)器配合實現(xiàn)節(jié)點的睡眠和喚醒。主機(jī)節(jié)點的CAN接口由CAN控制器SAJ1000和CAN驅(qū)動器82C250組成。從機(jī)節(jié)點中以BTS432等半導(dǎo)體功率開關(guān)器件取代傳統(tǒng)的繼電器作為各執(zhí)行器的開關(guān)器件，具有響應(yīng)迅速、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，并可通過其反饋引腳診斷負(fù)載狀態(tài)。

　　5、結(jié)束語

　　隨著汽車技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，汽車信息通信的網(wǎng)絡(luò)化是必然趨勢。汽車信息通信的多樣化促進(jìn)了汽車分級制網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展。LIN作為一種性能優(yōu)異、價格低廉的新型A類總線，必將進(jìn)一步促進(jìn)汽車分級制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的實施和完善，推動汽車技術(shù)的發(fā)展。同時，LIN作為一個開放的協(xié)議，在工業(yè)及家電領(lǐng)域也有著廣闊的應(yīng)用前景。