基于M68HC08的LIN節點(diǎn)設計與實(shí)現

引言

隨著(zhù)汽車(chē)電子業(yè)的飛速發(fā)展，車(chē)輛上的電子裝置越來(lái)越多，電子裝置之間的控制也越來(lái)越復雜。傳統的布線(xiàn)連接方式，不僅使線(xiàn)束變得更加粗大、質(zhì)量增加，使車(chē)內可利用的空間變小，且由于線(xiàn)路復雜，故障率增加，還會(huì )給維修帶來(lái)很大的不便。通過(guò)車(chē)用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)建立車(chē)身控制局域網(wǎng)，對汽車(chē)電子裝置、電器設備進(jìn)行管理和控制，實(shí)現分布式多路傳輸，大大簡(jiǎn)化汽車(chē)的線(xiàn)束，減輕線(xiàn)束的質(zhì)量，提高了系統工作的可靠性、穩定性。

LIN(Local Interconnect Network)是由汽車(chē)廠(chǎng)商專(zhuān)門(mén)為汽車(chē)開(kāi)發(fā)的一種低成本串行通信網(wǎng)絡(luò )，用于實(shí)現汽車(chē)中的分布式電子系統控制，其主要目的是為現有的汽車(chē)控制網(wǎng)絡(luò ) CAN(Control Area Network)提供輔助功能。在對CAN總線(xiàn)通信要求低的場(chǎng)合，諸如智能傳感器和制動(dòng)裝置之間的通信，使用LIN總線(xiàn)可大大降低成本。

１ LIN總線(xiàn)介紹

LIN是一個(gè)串行通訊協(xié)議，它有效地支持汽車(chē)應用中分布式機械電子節點(diǎn)的控制。LIN總線(xiàn)控制方式是帶單主機節點(diǎn)和一組從機節點(diǎn)的A 類(lèi)（10kbit／s(低速)）多點(diǎn)總線(xiàn)。

1.1 LIN總線(xiàn)特點(diǎn)

(1) 采用低成本單線(xiàn)12V進(jìn)行數據傳輸，線(xiàn)的驅動(dòng)和接收特性符合改進(jìn)的IS09141單線(xiàn)標準；(2) 傳輸速率可達20kbit／s；(3) 采用單主／多從結構，不需要總線(xiàn)仲裁，由主節點(diǎn)來(lái)控制總線(xiàn)的訪(fǎng)問(wèn)；(4) 基于通用UART／SCI的硬件接口，可使用低成本的半導體工藝實(shí)現，幾乎所有的微控制器都有LIN必需的硬件；(5) 從節點(diǎn)不需要晶振或陶瓷振蕩器就可實(shí)現自同步，從而減少了從節點(diǎn)的硬件成本；(6) 能保證最差狀況下信號傳送的等待時(shí)間，可避免總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)沖突。

1.2 LIN總線(xiàn)通信機制

LIN總線(xiàn)是基于SCI(UART)數據格式，采用單主控制器／多從設備的模式，僅使用一根12V信號總線(xiàn)。一個(gè)LIN 網(wǎng)絡(luò )由一個(gè)主節點(diǎn)、一個(gè)或多個(gè)從節點(diǎn)組成。所有節點(diǎn)都有一個(gè)從通訊任務(wù)，該通訊任務(wù)按功能分為發(fā)送任務(wù)和接收任務(wù)。主節點(diǎn)還有一個(gè)主發(fā)送任務(wù)，一個(gè)LIN 網(wǎng)絡(luò )上的通訊總是由主發(fā)送任務(wù)所發(fā)起的。主控制器發(fā)送一個(gè)起始報文，從控制單元在接受并且濾除消息標志符后，一個(gè)從任務(wù)被激活并且開(kāi)始本消息的應答。

1.3 LIN報文幀

報文幀由主機任務(wù)向從機任務(wù)傳送同步和標識符信息，并將一個(gè)從機任務(wù)的信息傳送到所有其他從機任務(wù)。主機任務(wù)位于主機節點(diǎn)內部，它負責報文的進(jìn)度表、發(fā)送報文頭（HEADER）。從機任務(wù)位于所有的（即主機和從機）節點(diǎn)中其中一個(gè)主機節點(diǎn)或從機節點(diǎn)發(fā)送報文的響應（RESPONSE）。

一個(gè)報文幀（圖1）是由一個(gè)主機節點(diǎn)發(fā)送的報文頭和一個(gè)主機或從機節點(diǎn)發(fā)送的響應組成。報文幀的報文頭包括一個(gè)同步間隔場(chǎng)（SYNCH BREAK FIELD）、一個(gè)同步場(chǎng)（SYNCH FIELD）和一個(gè)標識符場(chǎng)。報文幀的響應（RESPONSE）則由3個(gè)到9個(gè)字節場(chǎng)組成:2、4或8字節的數據場(chǎng)（DATA FIELD）和一個(gè)校驗和場(chǎng)（CHECKSUM FIELD）。字節場(chǎng)由字節間空間分隔。報文幀的報文頭和響應是由一個(gè)幀內響應空間分隔，最小的字節間空間和幀內響應空間是0。

圖1 LIN報文幀

2 LIN節點(diǎn)設計

2.1 M68HC08系列芯片簡(jiǎn)介

Motorola 的M68HC08是一種高性能的8位單片機系列，具有速度快、功能強和價(jià)格低等特點(diǎn)。它的CPU與M68HC05單片機向上兼容，具有16位變址寄存器和堆棧指針，有200余條指令和10余種尋址方式，最快指令周期僅為0.125μS。

2.2 LIN主節點(diǎn)設計

本設計選用M68HC08系列的MC68HC908GZ32作為L(cháng)IN主節點(diǎn)的MCU，其電路原理如圖2所示。選用MC68HC908GZ32，主要因為它具有如下其特點(diǎn)：

·32 Kbytes FLASH，1536 bytes RAM

·8-MHz內部總線(xiàn)頻率

·豐富的I／O資源

·兩個(gè)雙通道16bit定時(shí)接口模塊（TIM）

·一個(gè)MSCAN08 (Motorola 可升級的CAN)控制器模塊

·一個(gè)串行外圍接口（SPI）模塊

·一個(gè)增強型串行通信接口（ESCI）模塊

ESCI模塊可以使MCU和外圍設備及其它MCU異步通信，故它可以作為L(cháng)IN的主結點(diǎn)。由于MC68HC908GZ32內部帶有CAN控制器（MSCAN08），因此它除了能夠作為L(cháng)IN的主節點(diǎn)，還可以作為CAN/LIN網(wǎng)關(guān)。

本設計選用64腳QFP封裝的GZ32芯片，VDD,VDDA,VDDAD均由＋5V供電，TXD、RXD引腳分別接 LIN的收發(fā)器（TJA1020）的TXD、RXD引腳，經(jīng)過(guò)收發(fā)器LIN引腳出來(lái)的信號就是＋12V的LIN信號了。GZ32的CANRX與CANTX 引腳分別接CAN收發(fā)器（TJA1050）的RXD和TXD，經(jīng)過(guò)收發(fā)器CANL和CANH引腳出來(lái)的就是具有差分信號的CAN信號。GZ32其它的大部分引腳都可以做I/O口使用，滿(mǎn)足車(chē)身電器控制的需要。

圖2 LIN主節點(diǎn)的電路原理圖

主節點(diǎn)可以采用查詢(xún)或中斷的方式發(fā)送主機任務(wù)，本設計采用中斷的方式發(fā)送主機任務(wù)。首先發(fā)送同步間隔（13個(gè)bit的顯性電平加1個(gè)bit的隱性電平），GZ32里面專(zhuān)門(mén)用中止位（SBK）來(lái)發(fā)送同步間隔。將寄存器SCC2中的發(fā)送中止位SBK置1即會(huì )裝載中止符（全0）置發(fā)送移位寄存器，再將SBK置0，移位寄存器中止最后一個(gè)中止符且至少發(fā)送1個(gè)邏輯1，構成13個(gè)bit的低電平和1個(gè)bit的高電平。同步間隔是區別全零數據字節的關(guān)鍵，必須按照這種方式發(fā)送才能把它與全零字節區別開(kāi)來(lái)。然后按照SCI串行格式發(fā)送同步場(chǎng)0x55和標志符場(chǎng)。如果主節點(diǎn)還有從機發(fā)送任務(wù)，還需要按照SCI串行格式發(fā)送數據場(chǎng)和校驗和場(chǎng)。

2.3 LIN從節點(diǎn)設計

本設計選用M68HC08系列的MC68HC908QL4作為L(cháng)IN從節點(diǎn)的MCU，其電路原理圖如圖3所示，選用MC68HC908QL4，主要因為其具有如下特點(diǎn)：

·4096 bytes FLASH, 128 bytes RAM

·5-V 和 3.3-V 工作電壓

·5 V時(shí)內部總線(xiàn)頻率為8-MHz ，3.3 V 時(shí)為4-MHz

·一個(gè)雙通道16bit定時(shí)接口模塊（TIM）

·13個(gè)雙向輸入輸出口，1個(gè)只輸入口

·一個(gè)LIN從機接口控制器（SLIC）模塊

SLIC模塊用來(lái)提供LIN總線(xiàn)上從機的連通性，與通用I/O口共享其引腳。它有以下特點(diǎn)：

·自動(dòng)的波特率設置和LIN信息幀同步

·自動(dòng)識別和確認LIN信息的同步間隔和同步場(chǎng)

·自動(dòng)計算校驗和場(chǎng)和確認錯誤報告

·無(wú)錯誤的情況下每個(gè)標準LIN信息幀可有最多2個(gè)中斷

·高速的LIN可以從83.33 kbps 到 120.00 kbps

本設計選用16腳TSSOP封裝的QL4芯片，VDD接＋5V電源，SLCTX、SLCRX引腳分別接LIN的收發(fā)器（TJA1020）的TXD、RXD引腳。經(jīng)過(guò)收發(fā)器LIN引腳進(jìn)來(lái)＋12V的LIN信號，經(jīng)過(guò)收發(fā)器轉換成＋5V的接受和發(fā)送信號，分別傳到QL4的接受和發(fā)送引腳。

圖3 LIN從節點(diǎn)電路原理圖

從節點(diǎn)在初始化完成后，其它操作都在中斷里面完成。SLIC狀態(tài)向量寄存器（SLCSV）提供一個(gè)索引偏移量直接反映 LIN模塊當前的工作狀態(tài)，它可以和用戶(hù)提供的跳轉表一起用來(lái)快速進(jìn)入一個(gè)中斷服務(wù)子程序。LIN模塊的所有狀態(tài)在SLCSV里面都有相應的值對應，其值不僅反映LIN模塊狀態(tài)的索引偏移量，還反映中斷的優(yōu)先級。

3 LIN節點(diǎn)在車(chē)身控制中的應用示例

“長(cháng)安之星”SC6350汽車(chē)是長(cháng)安公司推出的具有轎車(chē)性能的微型客車(chē)，其車(chē)身電器包括：前后車(chē)燈、雨刮電機、升降車(chē)窗、中控門(mén)鎖、空調、車(chē)身儀表等，共達近百個(gè)。因為用電器比較多，主體設計采用CAN/LIN結合的網(wǎng)絡(luò )方式，按照用電器的就近原則，將整個(gè)車(chē)身網(wǎng)絡(luò )分成五個(gè)部分，如圖4所示。

圖4　長(cháng)安SC6350車(chē)身網(wǎng)絡(luò )圖

汽車(chē)前端放置高低速CAN網(wǎng)關(guān)（采用MC9S12DG128微控制器），其高速CAN與對信號的傳輸實(shí)時(shí)性要求很高的用電器如AMT、ABS、Engine相連，其低速CAN與組合開(kāi)關(guān)和大部分用電器的開(kāi)關(guān)相連。汽車(chē)前面兩側放置兩塊GZ32電路板，它控制汽車(chē)前面兩側的車(chē)燈和一些電機，同時(shí)它還作為L(cháng)IN網(wǎng)絡(luò )中的LIN主節點(diǎn)。LIN網(wǎng)絡(luò )從節點(diǎn)（QL4電路板）放置在汽車(chē)后面兩側，控制汽車(chē)后面的車(chē)燈和電機。由于汽車(chē)后部的用電器比較少，需要使用的I/O口就比較少，正好符合QL4 I/O口比較少的特點(diǎn)。

長(cháng)安SC6350汽車(chē)后部的用電器包括后左轉向燈、后右轉向燈、后左霧燈、后右霧燈、左后制動(dòng)燈、右后制動(dòng)燈、駐車(chē)制動(dòng)指示燈、左牌照燈、右牌照燈、后刮水電機、后除霜器等。我們將它們分成左右兩組，分別接到兩側的QL4電路板上。GZ32發(fā)送報文頭和響應場(chǎng)，QL4接收主機發(fā)送的LIN報文幀，將數據場(chǎng)各bit所攜帶的信息提取出來(lái)，驅動(dòng)車(chē)燈和電機。由于用電器比較少，數據場(chǎng)只需要2個(gè)字節就足夠。數據場(chǎng)的字節分配如圖 5所示，各個(gè)bit反映相關(guān)用電器的狀態(tài)，1表示燈亮和電機工作（電機采用直流電機，上電即可工作，故也只有0/1兩種狀態(tài)），0表示燈滅和電機不工作。

圖5 LIN數據場(chǎng)字節分配

兩個(gè)LIN從機分別接在兩個(gè)LIN主機上，而且它們都是只接收報文幀，不用發(fā)送響應場(chǎng)，故可用相同的標志符0x1C。另外還有睡眠和喚醒2個(gè)命令幀，分別用LIN總線(xiàn)保留的標識符0x3C和0x00來(lái)識別。

4 結束語(yǔ)

本文作者的創(chuàng )新點(diǎn)在于：根據LIN總線(xiàn)特點(diǎn)，設計了MCU+LIN接口芯片的LIN節點(diǎn)硬件結構，實(shí)現了主機／從機任務(wù)的LIN網(wǎng)絡(luò )通訊，并根據長(cháng)安SC6350微車(chē)制定了LIN應用層協(xié)議，構建了一個(gè)基于CAN/LIN總線(xiàn)的車(chē)身網(wǎng)絡(luò )（該車(chē)身網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)通過(guò)國家863 項目組的驗收），為我國汽車(chē)LIN總線(xiàn)A類(lèi)網(wǎng)絡(luò )高層通訊協(xié)議的制定奠定了基礎。

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