利用雙節點(diǎn)位置檢測技術(shù)提高LIN總線(xiàn)性能

本地互連網(wǎng)絡(luò )(LIN)作為低成本車(chē)載網(wǎng)絡(luò )的首選方案已得到認可，尤其是用在包括空調、汽車(chē)門(mén)鎖以及車(chē)鏡控制裝置在內的汽車(chē)車(chē)身及舒適系統中。總線(xiàn)通信結構簡(jiǎn)單，數據傳輸速率相對較低，這就意味著(zhù)LIN功能可適用于大多數汽車(chē)模塊，而且幾乎不會(huì )對空間和成本造成任何影響。

基本的LIN網(wǎng)絡(luò )由一個(gè)主節點(diǎn)和數個(gè)從節點(diǎn)組成，通過(guò)能夠產(chǎn)生有線(xiàn)“與”功能的單條通信線(xiàn)互聯(lián)。通信速率高達19.2Kbps，采用兩種被稱(chēng)為“隱性”和“顯性”的電氣狀態(tài)傳輸信號，這兩種狀態(tài)分別代表邏輯1和0。當總線(xiàn)上所有發(fā)送器均處于被動(dòng)狀態(tài)時(shí)，由于主節點(diǎn)中1k(上拉電阻的作用，總線(xiàn)電壓始終保持在接近電池供電電壓。當發(fā)送器主動(dòng)將總線(xiàn)電壓拉向地電位時(shí)，就會(huì )出現“顯性”狀態(tài)。

不過(guò)，即便是這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的設置，卻給設計人員提出了各種挑戰，特別是在節點(diǎn)尋址和故障檢測方面。在正常模式的通信開(kāi)始前，每個(gè)節點(diǎn)在啟動(dòng)或重置時(shí)都被分配了一個(gè)唯一的地址。這主要通過(guò)以下兩種方式之一來(lái)實(shí)現：通過(guò)從節點(diǎn)的硬連線(xiàn)、對OTP位進(jìn)行編程、專(zhuān)用連接器或DIP開(kāi)關(guān)設置來(lái)實(shí)現;或者通過(guò)被稱(chēng)為從節點(diǎn)位置檢測(SNPD)的自動(dòng)尋址方式來(lái)實(shí)現，在該過(guò)程中由主節點(diǎn)在上電時(shí)分配節點(diǎn)地址。

硬連線(xiàn)或手動(dòng)編程技術(shù)指的是配置一個(gè)系統或替換一個(gè)故障節點(diǎn)時(shí)，或者需要人工干預，或者需要依賴(lài)于提供大量具有不同LIN地址的節點(diǎn)。

自動(dòng)尋址則相反，它指的是具有相同功能的模塊可連接到LIN網(wǎng)絡(luò )上，而無(wú)需區分它們的地址。

該過(guò)程根據節點(diǎn)在總線(xiàn)上的位置為各個(gè)節點(diǎn)分配地址。因此，自動(dòng)節點(diǎn)位置檢測是自動(dòng)尋址不可分割的一部分，這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)(即節點(diǎn)位置檢測和自動(dòng)尋址)有時(shí)是可以互換的。

在基本LIN系統(圖1)中使用的有線(xiàn)“與”連接指的是所有節點(diǎn)均無(wú)法確定其在總線(xiàn)上相對于其它節點(diǎn)的位置。各總線(xiàn)連接方式在電性能上都是等效的。為了實(shí)現節點(diǎn)位置檢測并采用此方法進(jìn)行自動(dòng)尋址，必須采取其它措施確保每個(gè)節點(diǎn)都有可能在總線(xiàn)上確定其相對位置。

實(shí)現這一目標的一種方法就是：在各節點(diǎn)處將LIN線(xiàn)路隔離開(kāi)，以便節點(diǎn)的物理層可以在節點(diǎn)分出的兩個(gè)總線(xiàn)部分之間通過(guò)電性能加以辨別(圖2)。每個(gè)節點(diǎn)上有兩個(gè)LIN連接，所有的節點(diǎn)均通過(guò)“菊花鏈”連接起來(lái)。每個(gè)從節點(diǎn)中均包括一個(gè)檢測電阻(通常為1Ω)和電流源(通常為2mA)：距主節點(diǎn)最遠的從節點(diǎn)和總線(xiàn)之間只有一條單獨的連接(即沒(méi)有節點(diǎn)“下行”)，沒(méi)有其它電流存在，因此可以由主節點(diǎn)進(jìn)行識別并分配地址。一旦該從節點(diǎn)分配到地址，就可以通過(guò)終止其電流源來(lái)停止參與位置檢測過(guò)程。因此，總線(xiàn)上“下一個(gè)”從節點(diǎn)當前就是以該鏈路上“最后一個(gè)”節點(diǎn)的形式出現。該過(guò)程不斷繼續，直到所有節點(diǎn)都分配到各自的地址為止。

該技術(shù)的難點(diǎn)之一在于：在一個(gè)極易受電磁兼容性(EMC)以及其它電氣干擾的汽車(chē)環(huán)境里，需要相當精確的電流測量。由于各種干擾會(huì )導致位置檢測產(chǎn)生錯誤，因而該過(guò)程可能會(huì )相當耗時(shí);而且該過(guò)程還需要一個(gè)主、從節點(diǎn)互連的固定拓撲結構作為單獨而無(wú)分支的線(xiàn)性總線(xiàn)(主節點(diǎn)位于一端)。最后，如有任何故障，該系統在故障節點(diǎn)的位置就無(wú)法傳遞任何信息。

通過(guò)采用安森美半導體公司(如圖3所示)提出的另一操作方法，這些問(wèn)題均可迎刃而解。即仍然采用相同的通用原理，但是每個(gè)節點(diǎn)都含有一個(gè)高壓(HV)開(kāi)關(guān)，從而允許從節點(diǎn)傳送或阻止總線(xiàn)兩個(gè)部分之間的通信。

圖3：安森美半導體的解決方案在每個(gè)節點(diǎn)都含有一個(gè)高壓(HV)開(kāi)關(guān)，從而允許從節點(diǎn)傳送或阻止總線(xiàn)兩個(gè)部分之間的通信。

分配地址(如圖4所示)的過(guò)程始于啟動(dòng)或重置階段，即當從節點(diǎn)進(jìn)入初始狀態(tài)時(shí)，此時(shí)高壓開(kāi)關(guān)處于開(kāi)啟狀態(tài)。LIN總線(xiàn)的所有部分均被分隔開(kāi)，只有與主節點(diǎn)直接相連的從節點(diǎn)才會(huì )對來(lái)自主節點(diǎn)的LIN信息頭做出反應。主節點(diǎn)發(fā)送初始化命令后，上述從節點(diǎn)獲得地址并關(guān)閉其通往總線(xiàn)下一部分的高壓開(kāi)關(guān)。這使得第二個(gè)從節點(diǎn)可以和主節點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)絡(luò )，以便依次獲取其地址。該過(guò)程如此繼續下去，直到所有節點(diǎn)都獲得各自的地址為止。

實(shí)際上，基于開(kāi)關(guān)的系統在遵循上概基本原理的同時(shí)，通常要將開(kāi)關(guān)功能從外部電子節點(diǎn)LIN1和LIN2移入收發(fā)器的低壓部分(如圖5所示)。實(shí)際上，每個(gè)從節點(diǎn)都包含了一個(gè)完整LIN收發(fā)器的兩種情況。信息流的傳播或阻止都是通過(guò)對發(fā)往各個(gè)發(fā)送器和來(lái)自各個(gè)接收器的邏輯信號進(jìn)行控制而實(shí)現的。這免除了安裝能經(jīng)受汽車(chē)系統中嚴苛環(huán)境條件(尤其是脈沖干擾、系統ESD和EMC)的開(kāi)關(guān)的需求，且提高了可靠性。

在正常操作期間，為保證各電線(xiàn)部分在邏輯上表現為一根單獨的總線(xiàn)，每個(gè)從節點(diǎn)上發(fā)送器和接收器的邏輯互連電路必須確?？偩€(xiàn)信號雙向正確傳送。在其中一個(gè)LIN連接引腳上接收到的數據必須被發(fā)送至其它引腳，反之亦然。因此，數字模塊實(shí)際上起到了中繼系統的作用。

該設計對精確度的要求確保了系統時(shí)序的正確性(如圖6所示)。當其中一個(gè)LIN互連引腳接收到顯性狀態(tài)時(shí)，必須立即向其它LIN引腳重復發(fā)送，并進(jìn)而發(fā)送到菊花鏈上。但是，當初始顯性狀態(tài)結束，中繼機制在將這種變化沿菊花鏈傳遞時(shí)不可避免地會(huì )有輕微的時(shí)間延遲。這樣一來(lái)，持續的顯性狀態(tài)自身可被傳回網(wǎng)絡(luò )的初始啟動(dòng)部分，導致兩條總線(xiàn)將永久保持顯性的互鎖狀態(tài)。因此，必須引入額外延時(shí)概念，在此期間，總線(xiàn)狀態(tài)被視為不能夠有效重復。這種延時(shí)必須能夠涵蓋中繼系統最差情況下的總延時(shí)。額外延時(shí)的邏輯實(shí)現被稱(chēng)為反饋抑制。當然，同樣的論點(diǎn)雙向適用。因而，包含反饋抑制的中繼器功能相對于兩個(gè)LIN連接是完全對稱(chēng)的。