LIN總線在車身控制中的應(yīng)用

圖1  卡車車身控制解決方案總體結(jié)構(gòu)圖

LIN總線概述
LIN總線作為使用廣泛的CAN通訊網(wǎng)絡(luò)的輔助，它基于主從結(jié)構(gòu)，使用單線通訊，減少了大量線束的重量和費(fèi)用。其目標(biāo)應(yīng)用是不需要CAN的性能、帶寬及復(fù)雜性的低速系統(tǒng)，如開關(guān)類負(fù)載或位置型系統(tǒng)，包括車的后視鏡、車鎖、車座椅、車窗等的控制。
LIN總線特點(diǎn)
?低成本的單線12V數(shù)據(jù)傳輸，線的驅(qū)動和接收特性符合改進(jìn)的ISO 9141單線標(biāo)準(zhǔn)；
?傳輸速率可達(dá)20Kbit/s；
?單主/多從的結(jié)構(gòu)，不需要總線仲裁，由主節(jié)點(diǎn)來控制總線的訪問；
?基于通用UART/SCI的硬件接口，使用成本低的半導(dǎo)體工藝實(shí)現(xiàn)，幾乎所有的微控制器都有LIN 必需的硬件；
?從節(jié)點(diǎn)不需要晶振或陶瓷振蕩器就可實(shí)現(xiàn)自同步，從而減少了從節(jié)點(diǎn)硬件成本；
?保證在最差狀況下信號傳送的等待時間，避免總線訪問沖突。
LIN的數(shù)據(jù)幀格式和通訊協(xié)議
LIN網(wǎng)絡(luò)由一個主節(jié)點(diǎn)和多個從節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。所有的節(jié)點(diǎn)都包括一個從任務(wù)，從任務(wù)又分發(fā)送和接收任務(wù)，主節(jié)點(diǎn)還包括一個主任務(wù)。
LIN的數(shù)據(jù)幀由幀頭和響應(yīng)信息組成。幀頭包括同步間隔、同步場和信息識別符。幀頭由主任務(wù)發(fā)出，主任務(wù)在發(fā)出同步間隔后發(fā)送同步場(0x55)，從節(jié)點(diǎn)利用同步場將它的波特率調(diào)整到傳送來的信號的波特率。在發(fā)送同步場之后，發(fā)送一字節(jié)的信息識別符，其中0~3位表示信息類別，4~5位表示信息長度，7~8位是奇偶校驗(yàn)。信息識別符表示的是信息的內(nèi)容，而不是信息的目的地址。這樣定義可使多個節(jié)點(diǎn)收到同樣的信息，并且數(shù)據(jù)能夠以多種方式交換。從任務(wù)通過該字節(jié)判斷數(shù)據(jù)是否與自己有關(guān)，并確定自己如何處理該數(shù)據(jù)。響應(yīng)信息是由從任務(wù)發(fā)出的，由2個、4個或8個字節(jié)長度的數(shù)據(jù)和1個字節(jié)的和校驗(yàn)構(gòu)成。和校驗(yàn)表示數(shù)據(jù)幀結(jié)束，它是通過計算數(shù)據(jù)的全部字節(jié)而得到的(不包括識別字節(jié)及同步場)。
LIN 總線的另一個幀是睡眠幀，由主任務(wù)發(fā)出，它的作用是讓總線和節(jié)點(diǎn)進(jìn)入低功耗狀態(tài)。除睡眠幀的識別字段包含數(shù)值 0x80之外，其它與數(shù)據(jù)幀相似。當(dāng)收到喚醒信號時，總線睡眠狀態(tài)便中止。喚醒信號由從任務(wù)發(fā)出。
在LIN網(wǎng)絡(luò)中所有通訊都是由主任務(wù)發(fā)起的。主任務(wù)控制數(shù)據(jù)幀的發(fā)送時序和優(yōu)先級。

圖2  中央控制模塊的硬件原理圖

圖3  LIN的硬件實(shí)現(xiàn)電路

LIN車身控制應(yīng)用方案
LIN的應(yīng)用方案介紹
圖1給出了卡車車身控制系統(tǒng)的解決方案。電控模塊與汽車驅(qū)動系統(tǒng)分開有利于保證驅(qū)動系統(tǒng)的實(shí)時性，這也是汽車內(nèi)通訊網(wǎng)絡(luò)分級的一個原因。車身控制系統(tǒng)的中央控制模塊也是一個網(wǎng)關(guān)，它將CAN網(wǎng)絡(luò)和LIN網(wǎng)絡(luò)連接起來。
本文選取中央控制模塊和燈光控制模塊來說明LIN總線的應(yīng)用。中央控制模塊位于駕駛室內(nèi)，主要檢測駕駛室內(nèi)控制開關(guān)的狀態(tài)，并根據(jù)這些控制開關(guān)的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制策略，然后將控制命令通過LIN總線發(fā)送給向各子模塊。同時通過CAN總線接收上層CAN網(wǎng)絡(luò)的某些信息。中央控制模塊的MCU選用Motorola公司的MC68HC908GZ16，該芯片是一款可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)的汽車專用芯片，其內(nèi)部集成了CAN的控制器并有SCI模塊，從而方便了CAN和LIN的開發(fā)。中央控制模塊硬件原理圖如圖2所示。其中CAN/LIN接口芯片分別采用Motorola公司的MC33388和MC33399。中央控制模塊的POWER單元的作用是將車內(nèi)24V電壓轉(zhuǎn)換成5V供給MCU。DETECT單元作用是采集開關(guān)量的狀態(tài)，將并行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)送給MCU。中央控制模塊還可以根據(jù)不同需求增加驅(qū)動單元。在本例中，中央控制模塊還完成了驅(qū)動車內(nèi)的內(nèi)飾燈和雨刷電機(jī)的工作，驅(qū)動芯片分別選取Motorola公司的MC33286和MC33289。
燈光控制模塊有兩塊，主要控制前部和后部的車燈。其中MCU采用Motorola公司低成本單片機(jī)MC68HC908EY4，驅(qū)動芯片根據(jù)車燈所需功率來選取，本設(shè)計選取了MC33288和MC33286。
LIN的硬件實(shí)現(xiàn)
在模塊中LIN的硬件電路非常簡單，主要是LIN的接口芯片MC33399和MCU的連接，如圖3所示。
LIN的軟件編程
LIN的應(yīng)用軟件由兩部分組成：LIN的軟件驅(qū)動和用戶的應(yīng)用程序。軟件驅(qū)動的任務(wù)是接收、發(fā)送和過濾信息，連接LIN接點(diǎn)到LIN總線上，以及總線超時檢測、幀監(jiān)測、ID場計算、數(shù)據(jù)長度提取、校驗(yàn)和的計算和LIN消息的調(diào)度等。本系統(tǒng)的應(yīng)用程序建立在Motorola提供的LIN的軟件驅(qū)動之上。下面簡單介紹一下用戶如何根據(jù)設(shè)計要求來修改LIN的軟件驅(qū)動從而實(shí)現(xiàn)LIN總線的通訊。
LIN初始化
要實(shí)現(xiàn)LIN總線的通信，首先要完成LIN初始化的工作，主要包括對節(jié)點(diǎn)類型、端口、寄存器和中斷的設(shè)置。
?節(jié)點(diǎn)類型：節(jié)點(diǎn)有主從之分，所以在初始化時要先聲明該節(jié)點(diǎn)的類型。
?端口：LIN總線的通信用到了PTE0和PTE1兩個端口，需要設(shè)置端口方向。PTE0設(shè)為輸出，PTE1設(shè)為輸入。
?寄存器：LIN通信中用到了MCU中的串行通訊接口模塊和定時器模塊，需要對其相應(yīng)的寄存器進(jìn)行配置。通過配置串行通訊波特率寄存器(SCBR)可以得到不同的通訊速率(詳見MCU的手冊),本設(shè)計中以8MHz的外部時鐘得到9.6K的通訊速率，設(shè)置如下：
#define LIN_BAUDRATE  0x30
SCBR= LIN_BAUDRATE;
LIN通信中使用定時器模塊來完成位定時，所以需要在主節(jié)點(diǎn)設(shè)置定時器的時鐘速率。
?中斷：LIN通信中用到以下中斷：SCI接收中斷、SCI錯誤中斷、SCI 發(fā)送中斷和定時器1通道0中斷，其中后兩種中斷僅主節(jié)點(diǎn)使用。用到的中斷向量需要在中斷向量表中聲明。
配置ID
LIN總線規(guī)定了64個ID(0~63)，其中61~63被保留，其它ID供用戶使用。在本設(shè)計中車身控制系統(tǒng)共有5個子節(jié)點(diǎn)(見圖1)，兩種數(shù)據(jù)類型。這兩種數(shù)據(jù)均為兩字節(jié)。
以燈光控制模塊為例，說明通過LIN總線如何發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。LIN_PutMsg(ID,send_buffer) 和LIN_GetMsg(ID,receive_ buffer)分別為Motorola LIN API中定義的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的函數(shù)。參數(shù)ID表示發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的ID,send_buffer和receive_buffer分別是用戶定義的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的緩存單元。LIN_Request(ID)用來發(fā)送幀頭，僅主任務(wù)使用，其他函數(shù)定義參見Motorola LIN 驅(qū)動軟件。中央控制模塊將控制命令發(fā)送給燈光控制模塊，燈光控制模塊將負(fù)載的狀態(tài)反饋給中央控制模塊的過程的軟件程序詳見本刊網(wǎng)站。

結(jié)語
在車身控制系統(tǒng)中應(yīng)用LIN總線降低了低端通訊網(wǎng)絡(luò)的成本，同時增加了設(shè)計的靈活性，提高了系統(tǒng)的可靠性，有利于分布式車身控制系統(tǒng)的開發(fā)。因此LIN總線在汽車領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景，此外LIN總線作為一種開放協(xié)議，還可用在工業(yè)和家電領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)對速度要求不高、短距離連接的設(shè)備間的通訊。