飛思卡爾終端節點(diǎn)通訊解決方案

本文旨在介紹本地互聯(lián)網(wǎng)（LIN）這種低成本的串行通訊協(xié)議，它主要用于汽車(chē)的分布式電子系統和基于網(wǎng)絡(luò )的車(chē)輛概念中。 車(chē)內網(wǎng)絡(luò )解決方案 新技術(shù)為車(chē)輛帶來(lái)的眾多改變之一就是電子零部件的不斷增加，同時(shí)，帶有多種傳感器、執行器、電子控制器的高級控制系統也對車(chē)用通訊技術(shù)提出了巨大需求。顯而易見(jiàn)，這些需求只能通過(guò)使用這種網(wǎng)絡(luò )解決方案來(lái)滿(mǎn)足，因為車(chē)內環(huán)境各不相同，所以，本文將介紹三種能滿(mǎn)足成本、安全性和通訊速度需求的主要通訊標準。 *FlexRay *CAN -控制器局域網(wǎng)絡(luò ) *LIN -本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò ) 以上三種通訊標準在通訊速度和每個(gè)節點(diǎn)的成本方面的比較，見(jiàn)圖1 圖1： 主要汽車(chē)通訊協(xié)議 每個(gè)通訊標準都有各自的優(yōu)點(diǎn)和目標應用平臺： FlexRay--高速度（每信道高達10 Mbps）、雙信道、時(shí)間觸發(fā)、強大的容錯協(xié)議，設計用作骨干網(wǎng)。一般的目標應用是所謂的X-by-wire（線(xiàn)控）概念。其目的是通過(guò)電子信號傳輸來(lái)替代傳統的制動(dòng)踏板和制動(dòng)器或方向盤(pán)和車(chē)輪之間的機械傳動(dòng)。 CAN（控制器局域網(wǎng)）--中等速度（最高1Mbps）、單信道、雙線(xiàn)容錯協(xié)議，目前不僅在汽車(chē)業(yè)，還在許多工業(yè)應用中廣泛使用。CAN協(xié)議的目標應用可以包括電機控制、懸架控制和車(chē)內信息娛樂(lè )功能。 LIN-本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )--低速（最高20kbps）、單線(xiàn)低成本協(xié)議，可用于終端節點(diǎn)應用。LIN的概念注定這種協(xié)議用于傳感器/執行器中，一般用于低速通訊，即速度不是關(guān)鍵因素的應用中。 圖2是面向總線(xiàn)的汽車(chē)設計理念的一個(gè)例子。這種設計顯示三種通訊協(xié)議的共存?！? 圖2：總線(xiàn)車(chē)概念 LIN--本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò ) 如上所述，LIN是一種低成本的單線(xiàn)串行通訊接口。它基于通用的UART/SCI接口，可以20 kbps的波特率保證數據的可靠傳輸。LIN總線(xiàn)一般應用于集成裝置，比如門(mén)、方向盤(pán)、座椅、溫度控制和發(fā)動(dòng)機冷卻風(fēng)扇等。在這些裝置中，LIN網(wǎng)絡(luò )對成本敏感的特性使其采用了一系列先進(jìn)的機械電子裝置，如智能傳感器/執行器。此外，通過(guò)用數字編碼代替模擬編碼，機械電子裝置可以輕松連接到車(chē)輛網(wǎng)絡(luò )系統，并易于進(jìn)行各種診斷和維修，包括系統的重新編程和更新。 LIN協(xié)議的另一個(gè)主要特征是從節點(diǎn)中可以自動(dòng)完成同步而無(wú)需晶振或陶瓷振蕩器。這一特性和基于SCI的通訊的簡(jiǎn)便性是任何LIN實(shí)施提供經(jīng)濟高效性的主要因素。 操作基礎 LIN的操作概念基于一主多從的拓撲結構。在這種情況下，LIN集群（LIN 2.0版中LIN網(wǎng)絡(luò )的同義詞）包含一個(gè)主節點(diǎn)和幾個(gè)（多達15個(gè)）從節點(diǎn)。 圖3： 操作概念 如圖3所示，LIN節點(diǎn)實(shí)際上可以分成兩個(gè)獨立的部分： *主任務(wù)（Master task），負責決定何時(shí)傳輸哪個(gè)幀 *從任務(wù)（Slave task），提供將通過(guò)LIN總線(xiàn)傳輸的數據，并允許通過(guò)節點(diǎn)從低功耗模式中喚醒LIN集群。 典型的主節點(diǎn)包含主任務(wù)和從任務(wù)，而從節點(diǎn)只包含從任務(wù)。 幀的組成 通過(guò)LIN總線(xiàn)傳輸的數據單位叫作幀。每個(gè)幀包含兩個(gè)主要部分： *主任務(wù)提供的報頭。 *從任務(wù)處理的響應。 圖4：LIN幀的組成 報頭包含以下幾個(gè)部分： * 中斷（Break） - 至少13位長(cháng)的LIN總線(xiàn)的主導狀態(tài)，由主任務(wù)產(chǎn)生，包含每個(gè)LIN幀。 * 同步字段（Synchronisation field） - 數據值在0x55的位字段，使從任務(wù)能與主時(shí)鐘同步。 * 受保護的識別符(PID) - 獨特地定義消息內容但不定義接收方的地址。PID以一個(gè)6位長(cháng)的識別符開(kāi)始，后面跟有兩個(gè)奇偶校驗位。 LIN幀的響應部分是節點(diǎn)的從任務(wù)提供的，可分為以下兩部分： *數據字段--傳輸1到8個(gè)字節的數據。 *檢驗和字段--包含反向轉化的8個(gè)字節總和，包括后續(Carry Over)數據字節。 LIN幀的結構見(jiàn)圖5。 圖5：LIN幀結構 在LIN幀的響應部分傳輸的數據內容有三種類(lèi)型： 信號 - 響應的數據字段中包含的梯狀值或字節陣列。在這種情況下，幀的ID必須在0x00和 0x3B之間。注意，數據段中信號的位置對帶有相同 PID的幀來(lái)說(shuō)是固定的。 診斷信息 - 用來(lái)傳輸診斷或配置數據。這些信息總是8位長(cháng)，并帶有預留的ID號。0x3C ID用于主請求， 而0x3D 用于從響應。 保留信息 - 可用于用戶(hù)定義的擴展名 (這種情況下ID等于0x3E)或預留用于未來(lái)的協(xié)議改進(jìn)（ID設為0x3F）。 主任務(wù)對報頭的傳輸基于集群的時(shí)間表。時(shí)間表規定了傳送幀的順序，以及當前和下一個(gè)幀之間的間隔。由于時(shí)間表的數量從理論上講沒(méi)有限制，所以可以定義幾個(gè)不同的時(shí)間表來(lái)滿(mǎn)足集群運行的不同需求。時(shí)間表概念是一個(gè)機制，有助于確保網(wǎng)絡(luò )不會(huì )過(guò)載，并確保有保證的數據傳輸。 網(wǎng)絡(luò )管理 LIN中的網(wǎng)絡(luò )管理只指集群?jiǎn)拘押托菝撸╣o-to-sleep）流程。所有其它網(wǎng)絡(luò )管理功能，如配置檢測或自我保護（limp hom）管理都由應用完成。 若想使所有從節點(diǎn)均進(jìn)入低功耗模式，主節點(diǎn)會(huì )發(fā)出第一個(gè)數據字節為零的主請求(MasterRequest)幀。此幀就是休眠命令。從節點(diǎn)軟件負責處理正確進(jìn)入低功耗模式所需的所有步驟。此外，如果LIN總線(xiàn)處于非活動(dòng)狀態(tài)超過(guò)25000位時(shí)間（在使用LIN 2.0規范的情況下為超過(guò)4秒），從節點(diǎn)也應該自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式。 為了喚醒休眠的LIN集群，任何節點(diǎn)都可以發(fā)出喚醒命令。喚醒請求是通過(guò)迫使總線(xiàn)進(jìn)入250ms到5 ms的主導狀態(tài)發(fā)出的。每個(gè)從節點(diǎn)都可以檢測到喚醒請求，并準備好接收100 ms之內的總線(xiàn)命令。 LIN節點(diǎn)功率管理狀態(tài)圖見(jiàn)圖6。 圖6：LIN節點(diǎn)功率管理 LIN評估 1996年，沃爾沃和Volcano通訊(VCT) 為Volvo S80系列開(kāi)發(fā)了一種基于UART/SCI的協(xié)議，即Volcano Lite。此協(xié)議是車(chē)輛通訊系統不可缺少的組成部分。1997年，摩托羅拉公司與沃爾沃和沃爾沃通訊合作，幫助它們改進(jìn)Volcano Lite協(xié)議以滿(mǎn)足各種不同需求（比如無(wú)需晶振的從設備自動(dòng)同步），并制定可以支持各種半導體產(chǎn)品的開(kāi)放標準。1998年12月，Audi、BMW、Daimler Chrysler和VW也加入進(jìn)來(lái)，由此形成了LIN協(xié)會(huì )(http://www.lin-subbus.org)。 LIN 1.0版于1999年7月發(fā)布，并受到一些汽車(chē)公司使用的VLIT總線(xiàn)的嚴重影響。LIN標準在2000年經(jīng)過(guò)兩次更新，從而產(chǎn)生LIN1.2版本。 2002年11月，LIN協(xié)會(huì )頒布LIN1.3版標準，主要對物理層進(jìn)行修改，提高了節點(diǎn)之間的兼容性。 當前的標準版本，即LIN2.0，是2003年9月發(fā)布的。由于LIN2.0版是現行標準，所以本文主要介紹此版本。 由于A(yíng)udi、BMW、Daimler Chrysler、VW、Porsche 和VCT汽車(chē)公司在實(shí)施過(guò)程中發(fā)現了一些問(wèn)題，所以，LIN的新版本目前正在制定當中。2005年5月，VCT被Mentor Graphics (http://www.mentor.com)收購，成為一個(gè)大公司的組成部分，因而能持續支持和開(kāi)發(fā)VCT的完整產(chǎn)品線(xiàn)。 LIN 2.0規范包 LIN規范2.0版反映了LIN協(xié)會(huì )指出的發(fā)展趨勢。它還包括了SAE J2602 Task Force提供的信息，尤其是在現有從節點(diǎn)的使用方面。LIN2.0規范包包含以下部分： * LIN物理層規范描述了物理層，包括比特率、時(shí)鐘容限（clock tolrerance）等。 * LIN協(xié)議規范描述了LIN的數據鏈路層。 * LIN API規范描述了網(wǎng)絡(luò )和應用程序之間的接口，包括配置和診斷層。 * LIN配置語(yǔ)言規范描述了LIN說(shuō)明文件的句法和語(yǔ)義，此說(shuō)明文件用于配置完整的網(wǎng)絡(luò )，并作為開(kāi)發(fā)和分析工具的輸入信息。 * LIN診斷和配置規范描述了可部署在數據鏈層上，為診斷消息和節點(diǎn)配置提供信息的服務(wù)。 * LIN節點(diǎn)功能語(yǔ)言規范定義了用來(lái)描述現有從節點(diǎn)的格式。這些從節點(diǎn)可與即插即用工具一同使用，以自動(dòng)創(chuàng )建LIN描述文件。 圖7中的LIN開(kāi)發(fā)工作流程顯示了LIN 2.0規范包的各個(gè)部分如何組成一個(gè)整體。 圖7：VCT LIN開(kāi)發(fā)工作流程 LIN 2.0和LIN1.3規范包可以在http://www.lin-subbus.org.上注冊后免費訂購。 通過(guò)比較LIN1.3和LIN 2.0規范包，我們可以看到兩個(gè)最重要的改變就是對配置和診斷的標準化支持，以及規定的節點(diǎn)能力文件。它們的目標都是簡(jiǎn)化現有節點(diǎn)的使用。 其它重要的改變包括： * LIN API（LIN規范包的一部分）是所有用C語(yǔ)言編程的節點(diǎn)所必需的。 * 增加了改進(jìn)型校驗和（LIN2.0的校驗和還包括PID字節）。 * 增加了節點(diǎn)配置命令。 * 標準化和必備的LIN產(chǎn)品識別符（供應商ID/功能ID/版本ID）是配置的一部分。 * 增加了診斷和診斷API。 * 定義了新的幀和信號類(lèi)型，從而可以使用零星的幀和字節陣列信號。 * 增加了必需的響應錯誤(Response_error)從狀態(tài)監控。 * 將休眠(goto_sleep)和喚醒(wake_up)信號分離。 * 規范中增加了自動(dòng)比特率檢測。 LIN2.0是LIN 1.3的擴展集，因此LIN2.0主節點(diǎn)可以處理包含LIN 1.3和/或LIN 2.0從節點(diǎn)的集群。自然，一些LIN2.0的特殊特性（包括增強的校驗和、重新配置和診斷等）不能從LIN1.3從節點(diǎn)中請求。但是，LIN2.0從節點(diǎn)不能與LIN1.3主節點(diǎn)一同運行（因為L(cháng)IN2.0從節點(diǎn)需要配置）。 SAE J2602 LIN工作組 AE J2602的目標是通過(guò)滿(mǎn)足LIN2.0的模糊、矛盾或可選的要求來(lái)提高網(wǎng)絡(luò )中不同LIN設備之間的可互操作性和可交互能力。J2602的規定與LIN2.0規范的主要不同之處包括： * 波特率固定在10.417Kbps。 * 由于斜率針對固定的波特率進(jìn)行了優(yōu)化，可以實(shí)現更好的EMC。 * 不推薦從節點(diǎn)之間的通訊。 * 不允許基于事件的消息。 * 除了休眠和有目標的復位（Sleep and Targeted Reset）外，所有配置和診斷服務(wù)都是可選的。 AEJ2602還提出了LIN2.0中沒(méi)有的其它要求（如容錯操作、網(wǎng)絡(luò )拓撲和內置的標準化報告等）。 一般來(lái)說(shuō)，SAEJ2606的設計考慮了實(shí)施定制從節點(diǎn)的長(cháng)期目標，而LIN2.0假設使用基于MCU的實(shí)施。因此，J2602期望通過(guò)定制從節點(diǎn)來(lái)進(jìn)一步節約成本。 硅元件上的可能實(shí)施 根據目標MCU提供的功能，可以采用幾種LIN驅動(dòng)器實(shí)施策略。 對于沒(méi)有UART模塊的MCU，需要位響應(Bit-Bang)解決方案，使用一個(gè)定時(shí)器和兩個(gè)通用IO引腳將UART功能構建到軟件中。主要優(yōu)勢是沒(méi)有UART的MCU一般是最便宜的處理器。另一方面，這樣的CPU使用非常精密，需要為每個(gè)字節都發(fā)送中斷請求。最后，這種解決方案與基于UART的解決方案相比一般需要更多內存，比如，在飛思卡爾68HC908QY器件中就可以找到這類(lèi)LIN驅動(dòng)器。 帶有標準的UART（SCI）模塊的MCU一般意味著(zhù)驅動(dòng)器的軟件安裝更加簡(jiǎn)單，但另一方面，UART模塊會(huì )增加最終解決方案的MCU成本。與需要位響應(Bit-Bang)解決方案相比，這種解決方案的優(yōu)勢在于CPU的負荷更低，因為基于LIN通訊的中斷只對接收到的每個(gè)字節進(jìn)行。 LIN優(yōu)化UART模塊的MCU是減少驅動(dòng)器軟件部分而增加功能/特性的下一個(gè)步驟。飛思卡爾68HC908EY 或 68HC908GR設備中采用的增強型SCI模塊提供波特率調節和仲裁模塊選項，無(wú)需額外的定時(shí)器就能測量輸入信號（對LIN同步消息有用）。另一方面，這種方法可能會(huì )增加最終設計的成本。 最后一點(diǎn)，也是很重要的一點(diǎn)，理想的解決方案應使用LIN專(zhuān)用的UART模塊。飛思卡爾MCU（如68HC908QL設備）的SLIC（LIN 從接口控制器）模塊就是一個(gè)范例。與標準的UART解決方案相比，這種解決方案的成本和復雜性更高，并且要求實(shí)施SLIC優(yōu)化的驅動(dòng)器。另一方面，SLIC提供如下功能：自動(dòng)同步、自動(dòng)波特率調整、與上述任何解決方案相比中斷數大大減少、自動(dòng)校驗和的生成與驗證。因此，它允許將MCU專(zhuān)用于用戶(hù)應用。 此外，還有一種非常有趣的解決方案是將所有與LIN有關(guān)的計算轉移到支持LIN的協(xié)處理器模塊上。飛思卡爾的MC9S12X系列采用了這種方案。這些產(chǎn)品配備有完全獨立于核心的X-gate RISC協(xié)處理器，可將整個(gè)LIN通訊負載從CPU核心中釋放，從而保證CPU在所有時(shí)間內都可用于用戶(hù)應用。 LIN2.0應用實(shí)例 如前所述，LIN通訊協(xié)議設計用于汽車(chē)傳感器和執行器應用。但是，其使用并不限于這些領(lǐng)域。此處介紹的支持LIN的無(wú)刷直流電機（BLDC）發(fā)動(dòng)機風(fēng)扇控制應用就是LIN應用于其它領(lǐng)域的一個(gè)實(shí)例。 無(wú)刷直流電機（BLDC）在汽車(chē)應用中越來(lái)越常見(jiàn)，主要用在空調控制和發(fā)動(dòng)機冷卻風(fēng)扇中。與有刷直流電機相比，無(wú)刷直流電機（BLDC）使用電子交換，而不是機械交換器，因此能提高整個(gè)系統的可靠性和效率。并且，由于無(wú)刷直流電機（BLDC）轉子可產(chǎn)生轉子磁通量，能夠實(shí)現更高的機電轉換效率。 支持LIN的無(wú)刷直流電機（BLDC）發(fā)動(dòng)機風(fēng)扇控制應用在閉環(huán)、支持PWM的無(wú)刷直流電機（BLDC）應用中采用LIN2.0通訊協(xié)議。無(wú)刷直流電機（BLDC）由霍爾傳感器驅動(dòng)，用于轉子位置檢測，并且，應用中還嵌入了電流和過(guò)壓檢測功能。此應用的主要部分見(jiàn)圖8： 圖8：支持LIN的無(wú)刷直流電機（BLDC）發(fā)動(dòng)機風(fēng)扇控制 如圖所示，支持LIN的無(wú)刷直流電機（BLDC）發(fā)動(dòng)機風(fēng)扇控制硬件設計非常簡(jiǎn)單，包含四個(gè)部分： 發(fā)動(dòng)機風(fēng)扇控制LIN 主節點(diǎn) - 為L(cháng)IN集群提供所需的風(fēng)扇速度信息，以及運行/停止命令和錯誤跟蹤。 MC68HC908QB8 LIN 開(kāi)發(fā)包 - 是一個(gè)LIN從節點(diǎn)，處理的無(wú)刷直流電機（BLDC）控制功能，并為集群提供實(shí)際風(fēng)扇轉速信息和風(fēng)扇運行/錯誤狀態(tài)信息。評估板的LIN開(kāi)發(fā)包系列 (EVB)是開(kāi)發(fā)者輕松開(kāi)發(fā)他們各自基于LIN的項目而無(wú)需關(guān)注硬件開(kāi)發(fā)的一種方法。目前，這些評估板可用于飛思卡爾半導體的各種8/16位MCU：從非常小型、便宜的MC68HC908QY4 MCU到功能強大的MC68HC908S12C32。在本應用中，我們選擇了MC68HC908QB8，它是低成本、小型的8位MCU系列的一員。 MC33395 EVB - 用于功率設計。飛思卡爾半導體的評估板概念不只限于這種基于MCU的板，還包括基于飛思卡爾SMARTMOS系列的評估板。MC33395 EVB非常適合各種12V的電機控制應用，包括零交叉和背EMF (zero crossing and back EMF)無(wú)刷直流電機（BLDC）轉子位置檢測方法，使用戶(hù)可以輕松使用先進(jìn)的電機控制程序。 無(wú)刷直流電機（BLDC）風(fēng)扇-- 這種應用使用EBM-Papst W3G300-EQ22-90軸向風(fēng)扇。 以下是發(fā)動(dòng)機風(fēng)扇系統的功能。主節點(diǎn)發(fā)送有關(guān)要求的無(wú)刷直流電機（BLDC）負載循環(huán)、開(kāi)/關(guān)命令和復位信號（用來(lái)清除從節點(diǎn)上的電流過(guò)高和過(guò)壓信號）的信息。所需的速度可以直接在主板上設置，也可以通過(guò)高級CAN總線(xiàn)發(fā)送給主節點(diǎn)。從節點(diǎn)為主節點(diǎn)提供實(shí)際無(wú)刷直流電機（BLDC）速度、電流過(guò)大和電壓過(guò)高標志。 將LIN2.0鏈接增加到獨立發(fā)動(dòng)機風(fēng)扇中的第一步是創(chuàng )建集群消息策略。它完整描述了集群中不同設備之間的通訊。它包括所有幀的一個(gè)列表，帶有定義的幀ID、幀發(fā)行者和用戶(hù)以及數據字段內容（包括信號結構）。為集群創(chuàng )建一份日程表也非常重要。這些都應該包含在LIN描述文件(*.ldf)中，它的結構由LIN規范包（LIN配置語(yǔ)言說(shuō)明）規定。 對于項目的軟件部分，Volcano（訪(fǎng)問(wèn)www.volcanoautomotive.com了解更多信息）LIN 目標包（LTP）用作LIN 2.0驅動(dòng)器。這種工具可以從集群LDF文件中生成LIN特定的C代碼文件。然后，這些文件被直接添加到用戶(hù)編譯器/鏈接器中，以在項目中增加LIN鏈接程序。因此，應用開(kāi)發(fā)人員只需編寫(xiě)用戶(hù)的特定程序而無(wú)需花時(shí)間來(lái)開(kāi)發(fā)與LIN通訊有關(guān)的程序。欲了解這方面的更多信息，請參見(jiàn)飛思卡爾半導體應用指南AN2767, 使用Volcano LTP的飛思卡爾8/16位MCU上的LIN 2.0鏈接。它是一篇簡(jiǎn)單、易讀的文章，描述和介紹了LIN2.0的實(shí)施主題。 支持LIN的無(wú)刷直流電機（BLDC）發(fā)動(dòng)機風(fēng)扇控制在飛思卡爾半導體AN2983應用指南中進(jìn)行了詳細描述。該應用指南包括完整的軟件代碼，可從飛思卡爾網(wǎng)站上免費下載。圖9顯示了該應用的真實(shí)圖片。 圖10：支持LIN的無(wú)刷直流電機（BLDC）發(fā)動(dòng)機風(fēng)扇控制的實(shí)際安裝 飛思卡爾半導體提供廣泛的LIN產(chǎn)品系列，包括8/16/32位主MCU和8/16位從節點(diǎn)MCU。而且，模擬產(chǎn)品部（Analogue Product Group）也提供多種產(chǎn)品，包括LIN物理層接口、LIN/CAN SBC（系統基礎芯片）和IDC（智能分布式控制）。IDC產(chǎn)品是高度集成的單一封裝芯片，包含一個(gè)8位MCU、LIN物理層接口、電壓調節器和各種功率驅動(dòng)(SMARTMOS)組件，如半橋、高/低端開(kāi)關(guān)、霍爾傳感器輸入等。此解決方案非常適合空間有限的應用，如后視鏡或車(chē)窗升降器。