LIN總線及其在汽車(chē)分級(jí)制網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

1、引言

總線通訊技術(shù)自20世紀(jì)80年代開(kāi)始應(yīng)用在汽車(chē)上之后[1]，便在電子技術(shù)和汽車(chē)技術(shù)的推動(dòng)下飛速發(fā)展，目前已形成了適用于不同場(chǎng)合的多種汽車(chē)總線標(biāo)準(zhǔn)，如MOST、CAN、TTP、LIN等。汽車(chē)總線中通訊節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)流量持續(xù)增加，節(jié)點(diǎn)日益復(fù)雜，使得汽車(chē)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(shí)行汽車(chē)總線的網(wǎng)絡(luò)化和分級(jí)制。A類(lèi)總線——局域互連網(wǎng)LIN（LocalInterconnectNetwork）因此應(yīng)運(yùn)而生。LIN是一種結(jié)構(gòu)

簡(jiǎn)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(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性要求低的場(chǎng)合，如車(chē)身電器的控制等方面，使用LIN總線，可有效的簡(jiǎn)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(chē)網(wǎng)絡(luò)

目前有分別適用發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤(pán)控制、車(chē)身電器控制、車(chē)載多媒體等不同場(chǎng)合的多種汽車(chē)總線標(biāo)準(zhǔn)。SAE（SocietyofAutomotiveEngineering）按傳輸速度的不同將汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)總線分為三類(lèi)，如表1所示。

表一汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)



A類(lèi)總線協(xié)議有許多種，然而長(zhǎng)久以來(lái)卻沒(méi)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(huì)，在潛心研究A類(lèi)總線的基礎(chǔ)上提出了新型A類(lèi)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(lèi)總線的國(guó)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(dòng)/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(diǎn)的互操作性，并可預(yù)測(cè)EMC。

LIN的主要特點(diǎn)：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(hào)線就可實(shí)現(xiàn)ISO9141標(biāo)準(zhǔn)；傳輸速率最高可達(dá)20Kb/s，最大總線長(zhǎng)度40m；單主機(jī)/多從機(jī)模式，無(wú)需總線仲裁；從機(jī)節(jié)點(diǎn)不需石英或陶瓷振蕩器就能實(shí)現(xiàn)自同步；保證信號(hào)傳輸?shù)难舆t時(shí)間；不需要改變LIN從機(jī)節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件就可以在網(wǎng)絡(luò)上增加或刪除節(jié)點(diǎn)等。

LIN總線規(guī)范的初始版本LIN1.0由LIN協(xié)會(huì)在1999年7月發(fā)布，后幾經(jīng)修訂，現(xiàn)行版本為L(zhǎng)IN協(xié)會(huì)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(kāi)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(chē)網(wǎng)絡(luò)雜亂的現(xiàn)狀，并將降低汽車(chē)電子設(shè)備的開(kāi)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(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)主機(jī)節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)從機(jī)節(jié)點(diǎn)。

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



3、2LIN數(shù)據(jù)傳輸

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

報(bào)文頭只能由主機(jī)任務(wù)發(fā)送，它包括同步間隔場(chǎng)、同步場(chǎng)和標(biāo)識(shí)符場(chǎng)三個(gè)部分。同步間隔場(chǎng)為至少13個(gè)連續(xù)的顯性位（低電平），它標(biāo)志著一個(gè)報(bào)文幀的開(kāi)始。其后為同步場(chǎng)，同步場(chǎng)邏輯值為0x55，從機(jī)節(jié)點(diǎn)利用同步場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)與主機(jī)節(jié)點(diǎn)的同步。標(biāo)識(shí)符場(chǎng)緊跟在同步場(chǎng)之后，長(zhǎng)度為一個(gè)字節(jié)。標(biāo)識(shí)符場(chǎng)中低6位為標(biāo)識(shí)符位，共可組成64個(gè)標(biāo)識(shí)符，其中60個(gè)用作一般報(bào)文傳輸、兩個(gè)用作診斷幀、一個(gè)用作用戶(hù)定義幀、一個(gè)留作LIN擴(kuò)展用。標(biāo)識(shí)符后兩位為奇偶校驗(yàn)位。

標(biāo)識(shí)符指出當(dāng)前幀的內(nèi)容，從機(jī)節(jié)點(diǎn)據(jù)此來(lái)確定自己是否應(yīng)該對(duì)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(chǎng)和校驗(yàn)和場(chǎng)組成。數(shù)據(jù)場(chǎng)由報(bào)文幀所攜帶的數(shù)據(jù)組成，長(zhǎng)度為一到八個(gè)字節(jié)。報(bào)文幀的最后為校驗(yàn)和場(chǎng)，長(zhǎng)度為一字節(jié)，LIN1.3及其以前的規(guī)范版本中規(guī)定校驗(yàn)和場(chǎng)僅對(duì)數(shù)據(jù)場(chǎng)作校驗(yàn)，稱(chēng)為傳統(tǒng)校驗(yàn)和，LIN2.0規(guī)范中規(guī)定校驗(yàn)和場(chǎng)校驗(yàn)范圍包括數(shù)據(jù)場(chǎng)和標(biāo)識(shí)符場(chǎng)，稱(chēng)為增強(qiáng)校驗(yàn)和。

一個(gè)完整的報(bào)文幀如圖2所示。


圖2LIN報(bào)文幀

根據(jù)傳輸條件的不同，報(bào)文幀可分為絕對(duì)幀、觸發(fā)幀、離散幀、診斷幀、用戶(hù)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(diǎn)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(lái)確定當(dāng)前的通訊內(nèi)容，發(fā)送相應(yīng)的幀頭，并為報(bào)文幀分配幀通道?？偩€上的從機(jī)節(jié)點(diǎn)接收幀頭之后，通過(guò)解讀標(biāo)識(shí)符來(lái)確定自己是否應(yīng)該對(duì)當(dāng)前通訊做出響應(yīng)、做出何種響應(yīng)?；谶@種報(bào)文濾波方式，LIN可實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)傳輸模式，且一個(gè)報(bào)文幀可以同時(shí)被多個(gè)節(jié)點(diǎn)接收利用，如圖3所示。



圖3LIN數(shù)據(jù)傳輸模式

3.3總線睡眠和喚醒

需要時(shí)可由主機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)標(biāo)識(shí)符為0x3C且數(shù)據(jù)場(chǎng)中首字節(jié)為0的診斷幀將所有從機(jī)節(jié)點(diǎn)置為睡眠狀態(tài)，如果總線在4秒鐘以上沒(méi)有任何活動(dòng)，從機(jī)節(jié)點(diǎn)也自動(dòng)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(gè)節(jié)點(diǎn)都可以請(qǐng)求喚醒總線，總線上的所有節(jié)點(diǎn)在接收到喚醒請(qǐng)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(diǎn)接收到喚醒請(qǐng)求后也被喚醒，并在從機(jī)節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備好之后發(fā)送幀頭，尋找喚醒原因。

3.4錯(cuò)誤檢測(cè)和處理

LIN規(guī)范定義了六種不同類(lèi)型的報(bào)文錯(cuò)誤：位錯(cuò)誤、校驗(yàn)和錯(cuò)誤、標(biāo)識(shí)符錯(cuò)誤、從機(jī)不響應(yīng)錯(cuò)誤、總線不活動(dòng)錯(cuò)誤和同步場(chǎng)不一致錯(cuò)誤。主機(jī)節(jié)點(diǎn)和從機(jī)節(jié)點(diǎn)分別檢測(cè)這六種錯(cuò)誤中的若干種。

4．LIN應(yīng)用設(shè)計(jì)

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



圖4基于CAN/LIN的分級(jí)制汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)

車(chē)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(chǎng)合則由LIN來(lái)構(gòu)成下層局部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)分級(jí)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(jí)制汽車(chē)車(chē)身網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

現(xiàn)以車(chē)門(mén)LIN網(wǎng)絡(luò)為例介紹LIN總線設(shè)計(jì)的一般方法。

車(chē)門(mén)控制LIN網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)及其在車(chē)門(mén)上的布置如圖5所示，該網(wǎng)絡(luò)由主機(jī)節(jié)點(diǎn)、后視鏡從機(jī)節(jié)點(diǎn)、搖窗機(jī)從機(jī)節(jié)點(diǎn)、門(mén)鎖從機(jī)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。


圖5車(chē)門(mén)控制LIN網(wǎng)絡(luò)

主機(jī)節(jié)點(diǎn)采集本地各控制開(kāi)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L(zhǎng)IN報(bào)文幀通過(guò)LIN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給相應(yīng)從機(jī)節(jié)點(diǎn)，從機(jī)節(jié)點(diǎn)接收到與自己相關(guān)的報(bào)文幀后對(duì)報(bào)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(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)門(mén)各部件的控制。同時(shí)，在需要時(shí)從機(jī)節(jié)點(diǎn)分別將其控制部件所處狀態(tài)反饋給主機(jī)節(jié)點(diǎn)，主機(jī)節(jié)點(diǎn)再將該狀態(tài)信息通過(guò)指示燈或喇叭提供給駕駛員或通過(guò)CAN總線發(fā)送給其他控制單元。主機(jī)節(jié)點(diǎn)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(chē)門(mén)控制LIN網(wǎng)絡(luò)的主機(jī)節(jié)點(diǎn)和后視鏡從機(jī)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖圖。主機(jī)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)主要由控制器、電源、LIN接口、執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)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。



主機(jī)節(jié)點(diǎn)和從機(jī)節(jié)點(diǎn)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(mén)狗和振蕩器等模塊，可有效簡(jiǎn)化LIN節(jié)點(diǎn)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(dòng)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(shí),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(guò)ON/OFF引腳開(kāi)啟或關(guān)閉，它與LIN收發(fā)器配合實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的睡眠和喚醒。主機(jī)節(jié)點(diǎn)的CAN接口由CAN控制器SAJ1000和CAN驅(qū)動(dòng)器82C250組成。從機(jī)節(jié)點(diǎn)中以BTS432等半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)器件取代傳統(tǒng)的繼電器作為各執(zhí)行器的開(kāi)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(diǎn)，并可通過(guò)其反饋引腳診斷負(fù)載狀態(tài)。

5、結(jié)束語(yǔ)

隨著汽車(chē)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)信息通信的網(wǎng)絡(luò)化是必然趨勢(shì)。汽車(chē)信息通信的多樣化促進(jìn)了汽車(chē)分級(jí)制網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展。LIN作為一種性能優(yōu)異、價(jià)格低廉的新型A類(lèi)總線，必將進(jìn)一步促進(jìn)汽車(chē)分級(jí)制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的實(shí)施和完善，推動(dòng)汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)，LIN作為一個(gè)開(kāi)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。