基于SPMC75單片機的LIN Bus系統

　　1.1 引言

　　LIN 是低成本網(wǎng)絡(luò )中的汽車(chē)通訊協(xié)議標準，LIN(Local Interconnect Network)是低成本的汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )，它是現有多種汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )在功能上的補充由于能夠提高質(zhì)量、降低成本，LIN 將是在汽車(chē)中使用汽車(chē)分級網(wǎng)絡(luò )的啟動(dòng)因素。LIN 的標準化將簡(jiǎn)化多種現存的多點(diǎn)解決方案且將降低在汽車(chē)電子領(lǐng)域中的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)服務(wù)和后勤成本。

　　LIN 標準包括傳輸協(xié)議規范、傳輸媒體規范、開(kāi)發(fā)工具接口規范和用于軟件編程的接口LIN在硬件和軟件上保證了網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的互操作性并有可預測EMC的功能。

　　1.2 芯片簡(jiǎn)介

　　SPMC75系列MCU是凌陽(yáng)科技公司設計開(kāi)發(fā)的高性能16位通用MCU，具有很強的抗干擾性能、豐富易用的資源以及優(yōu)良的結構，特別是增強的定時(shí)計數器和PWM輸出功能。SPMC75系列MCU使用凌陽(yáng)u'nSP內核，u'nSP內核是一種高效的16位CISC內核。支持乘法、乘法累加、32/16位除法、FIR等高性能運算;支持兩種中斷模式?？梢苑奖愕漠a(chǎn)生SPWM波、空間向量PWM(SVPWM)等各種電機驅動(dòng)波形。

　　除了擁有高性能的CPU外，SPMC75系列MCU還集成了多種功能模塊：多功能I/O口、同步和異步串行口、高性能ADC、普通的定時(shí)計數器、多功能的捕獲比較模塊、BLDC電機驅動(dòng)專(zhuān)用位置偵測接口、兩相增量編碼器接口、能產(chǎn)生各種電機驅動(dòng)波形的PWM發(fā)生器等。同時(shí)，SPMC75系列單片機內部集成了32K Words的Flash和2K Words的SRAM。利用這些硬設支持，SPMC75系列單片機可以完成諸如家用電變頻驅動(dòng)、標準的工業(yè)變頻驅動(dòng)器、多環(huán)的伺服驅動(dòng)系統等復雜應用。

　　TJA1020(Philips)是LIN 主/從協(xié)議控制器和LIN(Local Interconnect Network)物理總線(xiàn)之間的接口，主要用作為車(chē)輛中的副網(wǎng)絡(luò )。使用的波特率可從2.4 到20Kbits/s。TJA1020支持普通斜率和低斜率兩種工作模式，并可在普通斜率模式以及低斜率模式間進(jìn)行切換。TJA1020還支持睡眠模式，以減小系統功耗。

　　1.3 LIN總線(xiàn)簡(jiǎn)介

　　LIN(Local Interconnect Network) Bus是一種串行通訊總線(xiàn)，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。它的使用范圍是帶單主機節點(diǎn)和一組從機節點(diǎn)的多點(diǎn)總線(xiàn)，其系統結構如圖 1-1所示。LIN Bus系統主要特性有：

　　■單主機多從機組織(即沒(méi)有總線(xiàn)仲裁)，配置靈活;

　　■基于普通UART/SCI 接口的低成本硬件實(shí)現低成本軟件協(xié)議;

　　■帶時(shí)間同步的多點(diǎn)廣播接收，從機節點(diǎn)無(wú)需石英或陶瓷諧振器，可以實(shí)現自同步;

　　■保證信號傳輸的延遲時(shí)間?？蛇x的報文幀長(cháng)度：2、4 和8 字節;

　　■數據校驗和的安全性和錯誤檢測，自動(dòng)檢測網(wǎng)絡(luò )中的故障節點(diǎn);

　　■使用最小成本的半導體組件(小型貼片，單芯片系統)。

　　■速度高達20kbit/s;

　　圖 1-1 LIN Bus系統結構

　　1.4 LIN協(xié)議在SPMC75F2313A上的實(shí)現

　　LIN Bus是一種簡(jiǎn)單的單總線(xiàn)系統，其軟件協(xié)議棧比較簡(jiǎn)單。一個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò )中有一個(gè)主機節點(diǎn)和一個(gè)以上的從機節點(diǎn)組成，所有的節點(diǎn)都包括有從機服務(wù)程序來(lái)發(fā)送和接收數據，僅有一個(gè)節點(diǎn)包含有主機服務(wù)程序。主機程序主要用于發(fā)送同步間隔、同步場(chǎng)和ID場(chǎng)(也可以是命令)，用于控制和協(xié)調各個(gè)節點(diǎn)的有序無(wú)紊的通訊。

　　1.4.1 LIN信息傳輸

　　LIN信息是以報文的形式傳送的。報文傳輸是由報文幀的格式形成和控制的。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它從機任務(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)報文幀如圖 1-2所示，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，這些空間的最大長(cháng)度由報文幀的最大長(cháng)度TFRAME_MAX。

　　圖 1-2 LIN 報文幀

　　1.4.2 LIN信息傳輸過(guò)程

　　LIN從機向主機傳輸數據示如圖 1-3所示，整個(gè)過(guò)程在主機的協(xié)調下進(jìn)行。

　　圖 1-3 從機向主機傳輸數據

　　LIN主機向兩個(gè)或兩個(gè)以上的從機發(fā)送數據如圖 1-4所示，整個(gè)過(guò)程在主機的協(xié)調下進(jìn)行。

　　圖 1-4 主機向兩個(gè)或兩個(gè)以上的從機發(fā)送數據

　　從機和從機之間傳輸數據如圖 1-5所示，整個(gè)過(guò)程在主機的協(xié)調下進(jìn)行。

　　圖 1-5 從機和從機之間傳輸數據

　　1.4.3 LIN物理層控制

　　■ 同步間隔(SYNCHRONISATION BREAK)檢測

　　為了能清楚識別報文幀的開(kāi)始，報文幀的第一個(gè)場(chǎng)是一個(gè)同步間隔。同步間隔場(chǎng)(SYNCH BREAK FIELD)是由主機任務(wù)發(fā)送，它使所有的從機任務(wù)與總線(xiàn)時(shí)鐘信號同步。同步間隔場(chǎng)有兩個(gè)不同的部分如圖 1-6所示。第一個(gè)部分是由一個(gè)持續TSYNBRK或更長(cháng)時(shí)間(即最小是TSYNBRK不需要很?chē)栏?的顯性總線(xiàn)電平。接著(zhù)的第二部分是最少持續TSYNDEL 時(shí)間的隱性電平，作為同步界定符。第二個(gè)場(chǎng)允許用來(lái)檢測下一個(gè)同步場(chǎng)(SYNCH FIELD)的起始位。最大的間隔和界定符時(shí)間沒(méi)有精確的定義，但必須符合整個(gè)報文頭THEADER_MAX 的總體時(shí)間預算，THEADER_MAX在表 1-1中定義。

　　圖 1-6 同步間隔場(chǎng)

　　表 1-1 報文的定時(shí)

　　同步間隔場(chǎng)的顯性電平長(cháng)度至少為T(mén)SYNBRK(可以更長(cháng))，這個(gè)時(shí)間是用主機位定時(shí)來(lái)測量。最小值應根據連接從機節點(diǎn)指定的最小本地時(shí)鐘頻率所要求的閥值而得出。

　　在SPMC75F2313A上，同步間隔里的各個(gè)時(shí)間測量都是通過(guò)捕獲輸入實(shí)現的。SPMC75F2313A的捕獲輸入可以很方便的測量TSYNBRK和TSYNDEL，并在檢測完成后與TSYNDEL的下降沿同步。

　　■ 波特率測量

　　波特率測量是在LIN總線(xiàn)的同步場(chǎng)(SYNCH FIELD)進(jìn)行的。同步場(chǎng)包含了時(shí)鐘的同步信息。同步場(chǎng)的格式如圖 1-7所示，它通過(guò)使UART發(fā)送"0x55"來(lái)實(shí)現，表現在8 個(gè)位定時(shí)中有5 個(gè)下降沿(即："隱性"跳變到"顯性"的邊沿)。使用SPMC75F2313A的捕獲輸入功能可以很方便的測量出相鄰兩個(gè)下降沿之間的時(shí)間間隔，利用這個(gè)時(shí)間間隔就可以算出波特率。

　　圖 1-7 同步場(chǎng)示意圖

　　1.5 系統設計

　　系統電路原理框圖如錯誤!未找到引用源。所示。電路由MCU控制核心電路和LIN接口兩部分構成。

　　MCU控制核心電路主要由SPMC75F2313A實(shí)現，它主要完成LIN協(xié)議的實(shí)現和整個(gè)系統的控制。SPMC75F2313A集成有實(shí)現LIN總線(xiàn)結點(diǎn)的必要硬件，包括UART、捕獲輸入和足夠的定時(shí)器。特別是其捕獲輸入功能，為L(cháng)IN的幀頭識別、幀同步和波特率測量提供了極大的便利。

　　LIN接口部分主要是由LIN物理層接口芯片TJA1020構成，它主要完成MCU通信信號與LIN物理總線(xiàn)信號之間的相互轉換。為MCU提供一個(gè)與LIN物理總線(xiàn)的接口。

　　圖 1-8 硬件原理圖

　　1.6 結語(yǔ)

　　凌陽(yáng)科技公司新推出SPMC75是一系列功能強大的工業(yè)級MCU，具有極強的抗干擾能力。其內部集成有高性能的ADC、增強型的定時(shí)計數器等功能部件，強大捕獲比較功能和PWM生成功能使其在如LIN、RF Mode、IrA等通信領(lǐng)域有非常杰出的表現。用SPMC75系列MCU可以方便的構成各種簡(jiǎn)潔高效的通信系統。