LIN總線技術(shù)及其應(yīng)用研究

引言

LIN 本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是一種將開關(guān)、顯示器、傳感器及執(zhí)行器等簡單控制設(shè)備連接起來的串行通信網(wǎng)絡(luò)，主要用于實現(xiàn)汽車中的分布式電子系統(tǒng)控制。因其主要目標(biāo)是為汽車網(wǎng)絡(luò)(如CAN總線)提供輔助功能，因此通常作為子網(wǎng)絡(luò)，用于一些不需要諸如CAN總線的帶寬和多功能的場合，比如智能傳感器和制動裝置之間的通信。使用LIN總線可大大節(jié)省成本，該低成本的串行通信模式和相應(yīng)的開發(fā)環(huán)境已經(jīng)由LIN協(xié)會制定成標(biāo)準(zhǔn)，為汽車制造商以及供應(yīng)商在研發(fā)、應(yīng)用電子產(chǎn)品方面降低成本。但是，LIN的應(yīng)用并不局限于汽車領(lǐng)域，在諸如工業(yè)控制領(lǐng)域也理所應(yīng)當(dāng)占有廣闊的應(yīng)用地位和前景。

LIN 總線的技術(shù)特點包括：⑴單主機，多從機結(jié)構(gòu)(沒有總線仲裁)；⑵基于普通UART/ SCI 接口的低成本硬件、低成本軟件或作為純狀態(tài)機；⑶帶時間同步的多點廣播接收，從節(jié)點無需石英或陶瓷振蕩器；⑷確定性的信號傳輸；⑸低成本的單線實現(xiàn)；⑹速率可達20 kbit/s；⑺總線長度≤40m；⑻保證信號傳輸?shù)难舆t時間；⑼可選的數(shù)據(jù)場長度0~8bytes；⑽靈活性的配置；⑾數(shù)據(jù)校驗和的安全性和錯誤檢測；⑿網(wǎng)絡(luò)中故障節(jié)點的檢測；⒀使用最小成本的半導(dǎo)體元件(小尺寸,單芯片系統(tǒng))；⒁不需改變LIN從節(jié)點的硬件和軟件即可在網(wǎng)絡(luò)上增加節(jié)點；⒂ 通常一個LIN 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)小于16 個。

LIN2.0總線技術(shù)

LIN2.0版本反映了LIN協(xié)會的定義趨勢，通過比較LIN1.3和LIN2.0規(guī)范，可看到最重大的兩個變化是對于配置和診斷的標(biāo)準(zhǔn)化支持，以及指定節(jié)點能力文件，這都是為了要簡化現(xiàn)有節(jié)點的使用。LIN工作原理是基于單主/多從概念。在一個LIN簇中，由一個主節(jié)點以及數(shù)個從節(jié)點構(gòu)成。主節(jié)點由主機任務(wù)和從機任務(wù)組成。而所有其他的節(jié)點只包含從機任務(wù)。圖1所示為典型的LIN簇，即一個主節(jié)點，兩個從節(jié)點。主機任務(wù)決定何時以及傳送哪一幀，而從機任務(wù)則傳送幀數(shù)據(jù)。

圖1單主多從原理圖

LIN2.0報文幀由幀頭和幀響應(yīng)組成，其中幀頭由主機任務(wù)傳送，幀響應(yīng)由從機任務(wù)傳送。每個報文幀都包含2、4、8字節(jié)的數(shù)據(jù)。報文幀的結(jié)構(gòu)由一個同步間隔域(Break)以及隨后的4至11個字節(jié)域(byte field)構(gòu)成，如圖2所示。

　
圖2 LIN報文幀結(jié)構(gòu)及字節(jié)域結(jié)構(gòu)

表1 LIN總線和CAN總線性能比較

同步間隔域

同步間隔域可看作是一中斷，用來表示一個新報文幀的開始，由主節(jié)點中的主機任務(wù)在LIN總線上產(chǎn)生至少13位顯性狀態(tài)，其中包含起始位和同步界定符。

·同步域：其格式為0x55，表現(xiàn)為8個位定時中有5個下降沿。

·保護識別符：用于描述報文數(shù)據(jù)的含義，一個保護識別符域由兩個子域組成：其中第0位到第5位是識別符位，第6和第7位是奇偶校驗位。識別符共6位，取值范圍為0至63。識別符可分為4類：

0到59(0x3b)用于信號傳輸?shù)膱笪膸?/p>

60(0x3c)和61(0x3d)用于傳送診斷數(shù)據(jù)；

62(0x3e)為留給用戶的擴展幀；

63(0x3f)為保留用于以后協(xié)議增訂使用。

·數(shù)據(jù)域：一個報文幀可以“攜帶”0到8字節(jié)的數(shù)據(jù)。

·校驗和：校驗和等于數(shù)據(jù)域所有字節(jié)的和的取反。對于只計算數(shù)據(jù)域所有字節(jié)的校驗和，稱為傳統(tǒng)校驗和。如果校驗和要將保護識別符和數(shù)據(jù)域所有字節(jié)一起計算，則稱為增強性校驗和。

由表1可見，LIN總線的整體性能要比CAN差很多，但LIN總線較CAN總線的最大優(yōu)勢在于實現(xiàn)成本比較低，由于LIN面向的是并不需要CAN的性能、帶寬及復(fù)雜性的低端系統(tǒng)，因此在這些場合中LIN有較為廣泛的應(yīng)用。

圖3 UJA1023配置流程圖

LIN從節(jié)點應(yīng)用設(shè)計

本文采用NXP推出的本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)I/O附屬擴展芯片UJA1023，可協(xié)助構(gòu)建高性價比、高可靠度的車內(nèi)LIN網(wǎng)絡(luò)。雖然，該芯片起初的設(shè)計初衷是應(yīng)用在高檔轎車行業(yè)，但由于該芯片的高集成性和可靠性等特點，完全能夠用于諸如電力工業(yè)領(lǐng)域等。UJA1023 是一個獨立的可應(yīng)用于本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(LIN)I/O的從節(jié)點，它可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電子控制單元中所使用的基本部件，這些電子控制單元用于對I/O進行控制。

UJA1023 芯片內(nèi)包含一個LIN 2.0 控制器，一個集成的LIN收發(fā)器，并同時兼容LIN1.3 規(guī)范。同時還包括8個可通過LIN總線進行配置的I/O端口。UJA1023 具有自動比特率同步電路，可以在1kbit/s 至20kbit/s 范圍內(nèi)與主節(jié)點保持同步，因此芯片內(nèi)集成了一個晶振。
LIN協(xié)議由芯片自動進行處理，從節(jié)點的地址NAD和幀識別符(frame Identifier)的設(shè)置由主請求命令(master request)和從響應(yīng)命令(slave response)以菊花鏈方式或即插方式完成。8 個雙向I/O引腳可由LIN總線命令進行配置，并且可以具有以下的功能：

輸入功能

·標(biāo)準(zhǔn)輸入引腳；

·本地喚醒；

·邊沿捕獲；

·模擬信號輸入引腳；

·開關(guān)矩陣(與輸出引腳配合使用)。

輸出功能

·標(biāo)準(zhǔn)輸出引腳，可配置為高邊驅(qū)動、低邊驅(qū)動、推拉驅(qū)動模式；

·周期(循環(huán))偵聽模式用于本地喚醒；

·PWM模式，例如，驅(qū)動轎車后燈；

·開關(guān)矩陣(與輸入引腳配合使用)。

配置流程

UJA1023可通過LIN命令幀，即主請求命令和從響應(yīng)命令以報文鏈的形式完成配置。主請求命令發(fā)送配置數(shù)據(jù)，而主請求命令的目標(biāo)從節(jié)點在收到命令后將發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)給主節(jié)點作為響應(yīng)。圖3所示為UJA1023的配置流程，其中主請求命令和從響應(yīng)命令之間井然有序的配合就是一種“握手”的概念。

UJA1023應(yīng)用實例

圖4 通用I/O口應(yīng)用

由圖4所示。單片UJA1023具有8個I/O口可作為通用I/O口使用。在圖4中，P0、P1用于讀入開關(guān)量的值。P3用于驅(qū)動發(fā)光二極管。P5通過功率放大可驅(qū)動電機。P7則對模擬量進行采集，P2還可以驅(qū)動繼電器，因而UJA1023在繼電保護中也有“用武之地”。

多片UJA1023應(yīng)用

使用即插方式，通過“單主多從”的方式，將多片UJA1023連成網(wǎng)絡(luò)形式的應(yīng)用。由圖5所示為由1個主節(jié)點和8個從節(jié)點組成的基于單主多從模式的LIN網(wǎng)絡(luò)。由圖可知，每個從節(jié)點有8路I/O，因此該網(wǎng)絡(luò)總共有多達64路的控制口。可進行多種形式的多路控制。其特點就是應(yīng)用靈活，配置方便，擴展性強，成本低廉，可靠性高。值得一提的是，圖5只是一個子網(wǎng)絡(luò)，如果需要更多的端口，完全可以按圖5的形式進行多網(wǎng)絡(luò)擴展，而網(wǎng)與網(wǎng)之間可以通過網(wǎng)關(guān)來連接。

圖5 基于單主多從模式的LIN網(wǎng)絡(luò)

該形式十分適合于如圖6所示的電力系統(tǒng)繼電保護應(yīng)用中。下位低頻低壓減載裝置的設(shè)計目的是完成35kV系統(tǒng)根據(jù)電力系統(tǒng)頻率和電壓變化，按預(yù)定的控制方案切除電力負(fù)荷。

圖6 系統(tǒng)總體框圖

圖6中每臺低頻減載裝置中的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想，以圖5為參考，一個裝置中包含一個基于單主多從的子網(wǎng)絡(luò)，即含有多片UJA1023，而每片芯片的Ｉ/O口驅(qū)動若干的繼電器，以在必要時控制繼電器以切除負(fù)載。

結(jié)語

由以上的分析不難得出結(jié)論，在工業(yè)自動化領(lǐng)域，對于數(shù)據(jù)的傳輸速率要求不高的傳感器、數(shù)字量I/O、顯示和執(zhí)行部件的控制連接固然可以使用CAN，但是這樣可以會造成浪費。在這種情況下，LIN的成本廉價，抗干擾性強，使用單線連接的優(yōu)越性就體現(xiàn)出來了。此外，在家用電器中也可使用LIN總線，例如在洗衣機中，微處理器通過LIN總線的傳感器進行水位、水流、水溫的測量，通過連在總線上的電動閥進行給水和排水控制。因此 LIN總線技術(shù)的應(yīng)用范圍遠不是局限于汽車工業(yè)，而在其他領(lǐng)域也同樣有著不可忽視的廣闊應(yīng)用前景和現(xiàn)實意義。