LIN總線概述與汽車門控系統(tǒng)設計實例

動力和車速已經(jīng)不再是消費者對汽車性能的唯一追求，人們越來越關(guān)心駕車時的舒適感、安全保障、功能的易用性，和對環(huán)境的保護等方面。因此，除了車身系統(tǒng)(Car body)和傳動系統(tǒng)(Power Train)等傳統(tǒng)的汽車控制單元以外，安全系統(tǒng)(Safety)和車載資通娛樂系統(tǒng)(Telematics / Infotainment)也隨著電子技術(shù)的進步而逐漸成熟。

現(xiàn)代的汽車電子系統(tǒng)中，電子控制組件(ECU)因在上述系統(tǒng)中賦予汽車更高效和更具智能性的操控能力而扮演了重要角色，也實現(xiàn)了諸如電源、車燈和門窗等自動檢測功能，給駕駛提供了更大便利。

汽車中的電子系統(tǒng)和組件平均達到80多個，它們之間越來越復雜的連接和通信功能對總線技術(shù)提出了需求。車燈、發(fā)動機、電磁閥、空調(diào)等設備的傳統(tǒng)連接方式為線纜連接，而如果電子元件之間也用電纜連接則必然造成連接復雜性的提高、可靠性的下降，和整體重量的上升;此外，伴隨而來的線纜的磨損和老化現(xiàn)象也將使汽車的安全性能降低。

為避免線纜帶來的各種麻煩，車載網(wǎng)絡(In-Vehicle Network)中應用標準化總線技術(shù)則成為較理想的解決方式。按不同的技術(shù)特點和應用領域，車載總線技術(shù)可分為五類。如表一所示，第一類LIN、TTP/A等總線傳輸速度最低，適用于車體控制;第二類中速總線，如低速CAN、SAE J1850、VAN(Vehicle Area Network)等，適用于對實時性要求不高的通信應用;第三類包括高速CAN、TTP/C等技術(shù)，適用于高速、實時死循環(huán)控制的多路傳輸網(wǎng)絡;第四類如IDB-C、IDB-M(D2B、MOST、IDB1394))、IDB-Wireless(Bluetooth)等，一般應用于車載資通娛樂網(wǎng)絡;第五類傳輸速度最高，用于最具關(guān)鍵性、實時性最高的人身安全系統(tǒng)，包括FlexRay和Byteflight等。

本文將主要討論LIN總線技術(shù)規(guī)格及在門控系統(tǒng)中的應用實例。

表一　車載網(wǎng)絡總線標準

LIN技術(shù)概況

LIN總線全稱為區(qū)域互連網(wǎng)絡(Local Interconnect Network)，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，和基于序列通訊協(xié)議的車載總線的子集系統(tǒng)(Sub-bus System)。

LIN總線為主從節(jié)點構(gòu)架，即一個主節(jié)點(Master Node)最多可支持16個從節(jié)點(Slave Node);在從節(jié)點中不用晶振(Crystal Oscillator)或陶瓷諧振器(Ceramic Resonator)時鐘，也能做到自同步性。LIN基于UART / SCI接口協(xié)議，可實現(xiàn)極低的軟硬件成本;其信號傳播時間可預先計算，以滿足傳輸?shù)拇_定性?？偩€電纜的長度最多可以擴展到40米左右，數(shù)據(jù)傳輸率可達 20 kbps。

1999年，LIN 1.0版推出后，不斷有新版本出現(xiàn)(LIN 1.3、LIN 2.0)，持續(xù)改進了LIN總線的性能與適用性。美國汽車工程師協(xié)會(SAE)下屬的車輛架構(gòu)任務組(Task Force)也基于LIN 2.0提出J2602規(guī)范，此舉讓LIN從節(jié)點所需要的軟件代碼長度縮短，進一步降低了LIN 2.0中軟件單元的復雜性，可實現(xiàn)更高效的系統(tǒng)配置。此外，主流廠商也會針對LIN的性能推出改進版本或技術(shù)，例如意法半導體的LINSCI。

圖一　LIN總線應用領域

LIN主要用作CAN等高速總線的輔助網(wǎng)絡或子網(wǎng)絡，能為不需要用到CAN的裝置提供較為完善的網(wǎng)絡功能，包括空調(diào)控制(Climate Control)、后視鏡(Mirrors)、車門模塊(Door Modules)、座椅控制(Seats)、智能性交換器(Smart Switches)、低成本傳感器(Low-cost Sensors)等。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)絡線束、降低成本、提高網(wǎng)絡通訊效率和可靠性。

LIN網(wǎng)絡架構(gòu)

如上文所述，LIN網(wǎng)絡基于主從節(jié)點構(gòu)架而形成網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。主節(jié)點需要向從節(jié)點發(fā)出周期性的檢測信號，檢測結(jié)果由從節(jié)點反饋給主控制器。其中周期根據(jù)事件檢測的實時性要求而設定。

如圖二所示，LIN的信號由一個由主任務提供的標頭(Header)和由從任務處理的響應部分(Response)構(gòu)成。標頭包含

一個13位的同步間隔字段(Synch Break Field)、一個由主任務產(chǎn)生的同步字段(Synch Field)，以及一個辨識字段(Identifier Field)。其中每一個字節(jié)字段都以串行位元組方式發(fā)送，起始位的第一位為“0”，而終止位為“1”。由主任務執(zhí)行的信號標頭會依整個LIN叢集的進度表決定每個信號的傳輸時間，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性及避 免網(wǎng)絡超載的危險。在LIN網(wǎng)絡中只有主節(jié)點采用晶體振蕩器來為系統(tǒng)提供精確的基本時鐘，此時鐘會嵌入上述的同步字段中，讓從任務能與主節(jié)點時序同步。LIN信號的響應部分包含一個數(shù)據(jù)域位(Data Filed)，長度為2 / 4 / 8個字節(jié)，和一個長度為一個字節(jié)的驗證字段(Checksum Field)。

圖二　LIN信號結(jié)構(gòu)示意圖

LINSCI

LINSCI可以集成在8位MCU中，可實現(xiàn)標頭偵測(Header Detection)、指示器(Identifier)和非相關(guān)字節(jié)過濾(Irrelevant Byte Filtering)、延伸性錯誤偵測(Extended Error Detection)和再同步化(Resynchronisation)等功能。其作用是使從設備的LIN總線功能更有效地發(fā)揮。

LINSCI也可以實現(xiàn)更高的精度。LIN總線的波特率(Baud Rate)預定標器(Prescaler)一般為8位整型值，分辨率有限，使得很難達成標準SCI位時間取樣原則所需要的誤差率為2%的準確性。LIN總線波特率一般為10kbps和20kbps，如果按20kbps計算，假設CPU頻率為8MHz，由于LIN的頻率寬容度為15%，量化錯誤將達到2.33%。LINSCI的預定標器則以12位無符號(Unsigned)定點值(即LDIV)代替8位整型值，量化誤差則可下降到0.15%。

圖三　LINSCI數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

實現(xiàn)LIN系統(tǒng)的最優(yōu)化包含許多方面因素。雖然以標準SCI所建立的LIN網(wǎng)絡已具備極佳性能，但LIN數(shù)據(jù)傳輸所需要的頻寬和CPU負荷，應用上所需的頻率準確性，以及LIN界面的穩(wěn)定和有效性等都是應該考慮的因素。此外，硬件技術(shù)上的強化也十分必要。

ST的LINSCI即可通過這些手段實現(xiàn)更高的效率和更低的成本。首先，經(jīng)過強化的硬件SCI端口減少了CPU負載，相應提高了系統(tǒng)效能。低成本主要由高集成度獲得，其內(nèi)部集成了1MHz震蕩器、帶有運算放大器的快速10位ADC，以及帶有低電壓檢測器的可配置重啟電路，簡化了外部電路和系統(tǒng)設計，降低了制造成本。同時，8KB的擴展內(nèi)存能在單一供給電壓下操作，除了提供更快速的編程能力，還降低了電路板的復雜程度。

汽車門控系統(tǒng)架構(gòu)實例

以汽車門控系統(tǒng)舉例。如圖四所示，目前中高檔車型的門控系統(tǒng)主要包括車門鎖(Lock)、防盜門鎖(Dead Lock Latch)、動力車窗(Power Window)、踏腳燈(Footstep light)，及切換面板照明(Switch Panel Illumination)等。其主節(jié)點為一個與車體CAN網(wǎng)絡相連的中央車體控制單元(Central Body ECU)，每個車門都有一個車門模塊，即按四門的車身則為DM-Driver(司機位置)、DM-Passenger(副駕駛位置)、DM-RearRight(右后門)和DM-RearLeft(左后門)提供門鎖和動力車窗等功能;另外兩個前門還有MMR和MML左右后視鏡控制模塊。駕駛端的中央切換面板(Central Switch Panel)是一個獨立的從節(jié)點，控制所有的動力車窗、手動門鎖及后視鏡等功能。

圖四　LIN網(wǎng)絡門控系統(tǒng)示意圖

汽車門控系統(tǒng)的應用場景對LIN網(wǎng)絡提出了以下需求：當主控器收到從遙控鑰匙發(fā)出的有效信號時，必須要啟動門控系統(tǒng)，從節(jié)點通常通過CAN總線接收;當正確的鑰匙打開前門時，也同時啟動門控系統(tǒng);從節(jié)點會直接反應而不需經(jīng)由與主控器的通訊;切換面板的詢問動作(Polling)功能，以確保響應對各個驅(qū)動裝置控制，如動力車窗、后視鏡調(diào)整、門鎖等的主動式切換;對所有從節(jié)點的詢問

功能以得到車窗升降的位置狀態(tài)，以及車門的開關(guān)情況;以及系統(tǒng)對所有從節(jié)點的睡眠模式控制(即電池供應操作模式)等。因此門控系統(tǒng)的MCU也需要與上述功能相符，例如必須針對車窗的升降提供防夾(Anti-Pinch)功能、馬達的PWM控制及車窗位置監(jiān)控;能以SPI接口來控制門鎖馬達;對于車鑰匙的拔出及開門的動作，能夠提供電源供應模式的接觸式監(jiān)控，以及對后視鏡及切換面板的操控功能等。

圖五　門控模塊功能架構(gòu)圖

對上述功能的參數(shù)設置上，也有一些需要考慮的因素，例如時序的準確性和動作的實時性等。以手動打開汽車門鎖的動作為例，從鑰匙插入門鎖到打開，需要快速的響應，可接受的延遲必須小于200ms。而在此期間，傳動馬達大約需要100ms打開門鎖，因此留給MCU來完成從低功率模式啟動、偵測到鑰匙，并觸發(fā)傳動裝置等動作的所有時間只有100ms。LIN總線波特率一般為10kbps或20kbps，如果按最快的20kbps計算，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒?，則CPU的響應時間必須小于1ms。此外，針對系統(tǒng) 的安全性(如防夾)和便利性(如門鎖偵測)等功能，都會有實時性的要求。

時序的準確性是為了實現(xiàn)正確的運作和流程。車門模塊需要一個寬容度小于3%的時間參考，車窗防夾(Anti-Pinch)功能的復雜算法就需要這種準確性。

功耗與節(jié)能是對于多數(shù)ECU來說是十分關(guān)鍵的因素。以門控系統(tǒng)來說，系統(tǒng)在車輛熄火以后仍需進行間隔性的監(jiān)控詢問動作，會造成電力的持續(xù)消耗。而監(jiān)控的延遲間隔設定很難取舍，因為時間間隔太長，則會造成反應延遲;太短的話，又會增加系統(tǒng)的功耗。

故障安全設計

故障和安全也是系統(tǒng)設計的重點，例如短路時總線線路的故障安全(Fail-Safe)機制。因為LIN總線與車體CAN總線系統(tǒng)相比，不具有容錯性能(Fault Tolerant)，因此每個節(jié)點必須有能力分辨出短路的總線線路，同時反應動作必須遵循特定的程序。

L9638是ST推出的LIN收發(fā)器，可提供額外的安全故障功能，可有效處理短路等故障。當MCU發(fā)現(xiàn)短路的LIN總線線路，ECU可自關(guān)閉;而收發(fā)器在消除短路狀況后仍能夠重新啟動。

結(jié)論

通過靈活的配置，LIN可在多種應用中發(fā)揮全面的性能。例如將LIN協(xié)議以硬件方式建置(LINSCI)可以增加系統(tǒng)的可靠性和簡化LIN的驅(qū)動程序碼。MCU的設計也是一大關(guān)鍵。以ST72F361為例，它在標準MCU上提供先進的SCI接口，并支持LIN的功能，除了能降低CPU的負荷外，也能省卻較高成本的精準時序資源。

LIN總線屬于低速率傳輸標準，不具備CAN總線的性能，主要定位于CAN的關(guān)鍵性應用以外的場景中(高速、高效率、高容錯性能等)。設計車輛電子系統(tǒng)時，需要根據(jù)具體的需求和技術(shù)要求合理選用適合的技術(shù)標準，才能讓LIN和CAN發(fā)揮自己特有的優(yōu)勢，并節(jié)省成本。LIN總線以其低成本及高可靠性贏得了獨特的市場空間，預計在歐洲新出廠的車輛中，LIN總線的應用將占有相當大的比重。