汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總線節(jié)點(diǎn)的硬件和通信程序設(shè)計(jì)

隨著汽車電子業(yè)的飛速發(fā)展，車輛上的電子裝置越來越多，電子裝置之間的通信技術(shù)也越來越先進(jìn)。傳統(tǒng)的電器系統(tǒng)大多采用點(diǎn)對點(diǎn)的單一通信方式，相互之間少有聯(lián)系，這樣必然造成布線系統(tǒng)龐大，因而現(xiàn)代車輛上的電子系統(tǒng)廣泛采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)彼此之間的通信。

1998年，汽車制造商奧迪公司、寶馬公司、戴姆勒克萊斯勒公司、沃爾沃汽車公司、大眾汽車公司、通信領(lǐng)域的專業(yè)廠商火山通信技術(shù)公司以及半導(dǎo)體生產(chǎn)商摩托羅拉公司共同創(chuàng)建了LIN（ Local Interconnect Network）協(xié)會，其目的是為汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供一個(gè)開放的A類（數(shù)據(jù)傳輸位速率通常小于10kb/sv的低速車身網(wǎng)絡(luò)）串行總線通信標(biāo)準(zhǔn)，允許在此基礎(chǔ)上開發(fā)汽車低端網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并且不需要使用者支付使用費(fèi)用或版稅。

1 LIN協(xié)議的通訊機(jī)制

1.1 主機(jī)和從機(jī)

從通訊協(xié)議的角度來看，一個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)主機(jī)任務(wù)模塊（Master Task）和若干個(gè)從機(jī)任務(wù)模塊（Slave Task）組成。主機(jī)節(jié)點(diǎn)中既有主機(jī)任務(wù)模塊又有從機(jī)任務(wù)模塊；其它節(jié)點(diǎn)中只有從機(jī)任務(wù)模塊。圖1是由一個(gè)主機(jī)節(jié)點(diǎn)、兩個(gè)從機(jī)節(jié)點(diǎn)組成的LIN網(wǎng)絡(luò)。

在LIN網(wǎng)絡(luò)中，主機(jī)任務(wù)模塊決定什么時(shí)候在總線上傳輸什么報(bào)文幀，而從機(jī)任務(wù)模塊則提供每一幀需要傳送的數(shù)據(jù)。主機(jī)任務(wù)模塊和從機(jī)任務(wù)模塊都是幀處理層的組成部分。

1.2 報(bào)文幀

一個(gè)報(bào)文幀由一個(gè)幀頭（由主機(jī)任務(wù)模塊提供）和一個(gè)響應(yīng)幀（由從機(jī)任務(wù)模塊提供）組成。幀頭包括一個(gè)同步間隔場（SYNCH BREAK FIELD）、 一個(gè)同步場（SYNCH FIELD）和一個(gè)標(biāo)識符場。報(bào)文幀的用途由標(biāo)識符唯一定義，約定的從機(jī)任務(wù)根據(jù)標(biāo)識符提供相關(guān)的響應(yīng)幀并發(fā)送到總線上（如圖2、圖3所示），響應(yīng)幀由2、4或8字節(jié)的數(shù)據(jù)場（DATA FIELD）和一個(gè)校驗(yàn)和場（CHECKSUM FIELD）組成。對這個(gè)標(biāo)識符相聯(lián)的數(shù)據(jù)感興趣的從機(jī)任務(wù)將接收響應(yīng)幀，校驗(yàn)和檢驗(yàn)通過后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

這樣的通訊機(jī)制帶來了非常理想的效果：

·系統(tǒng)靈活性：在LIN網(wǎng)絡(luò)中可以直接增加節(jié)點(diǎn)而不需要對其它從機(jī)節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件進(jìn)行修改；

·報(bào)文路由： 報(bào)文的內(nèi)容由標(biāo)識符定義；

·廣播： 多個(gè)節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)接收一個(gè)單獨(dú)的報(bào)文幀，并對報(bào)文作出反應(yīng)。

2 LIN總線試驗(yàn)平臺的軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 MCU芯片

主機(jī)MCU選用了瑞薩（Renesas）公司的M16C/6N系列的M306NBFCTFP，其特點(diǎn)如下：

·128K ROM，5K RAM

·三路串行口（兩路UART/時(shí)鐘同步口，一路時(shí)鐘同步口）

·一路CAN模塊

·豐富的I/O“ title=”I/O“》I/O資源

從機(jī)MCU選用Atmel公司的基于8051內(nèi)核的微控制器AT89C2051，其特點(diǎn)為：

·2K字節(jié)的Flash

·128×8位的內(nèi)部RAM

·兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器

·可編程的串行UART口

采用M306NBFCTFP作為主機(jī)節(jié)點(diǎn)的MCU是因?yàn)樗哂蠧AN接口模塊，而且增強(qiáng)型UART可用于支持LIN總線；采用AT89C2051作為從機(jī)節(jié)點(diǎn)的MCU是因?yàn)闀簳r(shí)不對從機(jī)節(jié)點(diǎn)所實(shí)現(xiàn)的具體功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，而只是著重于LIN網(wǎng)絡(luò)通訊部分的設(shè)計(jì)。要履行LIN規(guī)范的通訊時(shí)序，所有節(jié)點(diǎn)都必須配備一個(gè)精確的振蕩參考源，即主機(jī)節(jié)點(diǎn)（M306NBFCTFP）和從機(jī)節(jié)點(diǎn)（AT89C2051）上的晶振。M306NBFCTFP片內(nèi)有一個(gè)專用的波特率發(fā)生器用于串口通訊，而AT89C2051則把定時(shí)器T1作為波特率發(fā)生器。M306NBFCTFP將I/O口作為擴(kuò)展區(qū)域。這兩種微控制器都具有增強(qiáng)型UART，可用于支持串行LIN傳輸。定時(shí)器T0可用于各種超時(shí)檢測。此外，由于LIN的同步間隔超過普通UART所能處理的長度，所以從機(jī)節(jié)點(diǎn)AT89C2051使用中斷來進(jìn)行同步間隔檢測。

圖4和圖5分別為主機(jī)節(jié)點(diǎn)和從機(jī)節(jié)點(diǎn)的電路原理圖。

2.2 LIN總線通訊軟件的設(shè)計(jì)

LIN節(jié)點(diǎn)是通過應(yīng)用程序中的主機(jī)任務(wù)和從機(jī)任務(wù)來實(shí)現(xiàn)LIN網(wǎng)絡(luò)通訊的。主機(jī)節(jié)點(diǎn)包含主機(jī)任務(wù)和從機(jī)任務(wù)，從機(jī)節(jié)點(diǎn)僅包含從機(jī)任務(wù)。主機(jī)任務(wù)流程圖如圖6所示，從機(jī)任務(wù)流程圖如圖7所示。

LIN主機(jī)任務(wù)包括以下內(nèi)容：

·定義波特率（2kbit/s到20kbit/s）；

·發(fā)送間隔場和同步場信號序列；

·發(fā)送標(biāo)識符場；

·監(jiān)控并檢查校驗(yàn)和，驗(yàn)證數(shù)據(jù)的有效性；

·請求從機(jī)進(jìn)入睡眠模式，需要時(shí)再將其喚醒；

·對從機(jī)的喚醒進(jìn)行響應(yīng)。

從機(jī)任務(wù)包括以下內(nèi)容：

·檢測間隔場信號；

·在同步區(qū)與網(wǎng)絡(luò)取得同步；

·解釋標(biāo)識符，并作出相應(yīng)動作：

——不需要任何通訊操作；

——接收數(shù)據(jù)場數(shù)據(jù)；

——發(fā)送響應(yīng)幀；

·檢查/發(fā)送校驗(yàn)和。

3 電動汽車車身總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

根據(jù)LIN總線的物理層規(guī)定，LIN總線采用改進(jìn)的ISO9141單總線標(biāo)準(zhǔn)，總線驅(qū)動為12V電源。編碼方式為NRZ （Not Return Zero），電平分為隱性電平“1”和顯性電平“0”兩種，其誤差要求如下：對于發(fā)出信息的節(jié)點(diǎn)，發(fā)出的隱性電平不得低于電源電壓” title=“電源電壓”》電源電壓的80％，顯性電平不得高于電源電壓的20％；對接收節(jié)點(diǎn)來說，接收到的隱性電平不得低于電源電壓的60％，顯性電平不得高于電源電壓的40％。考慮到信號衰弱等因素，LIN總線的長度最大不超過40米；同時(shí)一個(gè)LIN子網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)數(shù)目小于16個(gè)。

根據(jù)電動汽車A類網(wǎng)絡(luò)各功能單元對通訊功能的實(shí)時(shí)性、傳輸距離的要求，均衡考慮性能和成本等因素，確定LIN總線在電動汽車車身上的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以從圖8中幾個(gè)典型的A類網(wǎng)絡(luò)功能單元進(jìn)行分析。

車身系統(tǒng)“ title=”車身系統(tǒng)“》車身系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃如圖9所示。圖9中將車身系統(tǒng)的A類網(wǎng)絡(luò)功能單元劃分為車門模塊、空調(diào)模塊、座椅模塊、控制面板模塊以及燈組模塊，這些模塊分別作為LIN子網(wǎng)絡(luò)的主機(jī)節(jié)點(diǎn)。

LIN總線的目標(biāo)是為現(xiàn)有汽車網(wǎng)絡(luò)提供一種低速總線通訊標(biāo)準(zhǔn)，它能滿足CAN總線所不要求的帶寬和功能，使用LIN總線可大大節(jié)省成本。而在我國” title=“我國”》我國，對于汽車總線的研究只是處于初步階段。為了縮短同國外轎車技術(shù)水平的差距，提高自身的競爭力，單純靠技術(shù)引進(jìn)不利于我國汽車電子技術(shù)的長期發(fā)展，研究和開發(fā)我國自己的汽車網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)勢在必行。本文確立了MCU＋LIN接口芯片的LIN節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了主機(jī)/從機(jī)任務(wù)的LIN網(wǎng)絡(luò)通訊，規(guī)劃出了我國電動汽車車身系統(tǒng)LIN總線結(jié)構(gòu)，為我國汽車LIN總線A類網(wǎng)絡(luò)高層通訊協(xié)議的制定奠定了基礎(chǔ)。