基于LIN總線(xiàn)的車(chē)身控制系統設計

　　LIN總線(xiàn)簡(jiǎn)介

　　LIN(Local Interconnect Network)是一種低成本的串行通訊網(wǎng)絡(luò )，用于實(shí)現汽車(chē)中的分布式電子系統控制。LIN 的目標是為現有汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )(例如CAN 總線(xiàn))提供輔助功能，因此LIN 總線(xiàn)是一種輔助的總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。在不需要CAN 總線(xiàn)的帶寬和多功能的場(chǎng)合，比如智能傳感器和制動(dòng)裝置之間的通訊使用LIN 總線(xiàn)可大大節省成本。LIN 技術(shù)規范中除定義了基本協(xié)議和物理層外還定義了開(kāi)發(fā)工具和應用軟件接口。LIN 通訊是基于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)和一個(gè)無(wú)固定時(shí)間基準的節點(diǎn)同步時(shí)鐘線(xiàn)。這種低成本的串行通訊模式和相應的開(kāi)發(fā)環(huán)境已經(jīng)由LIN 協(xié)會(huì )制定成標準。LIN 的標準化將為汽車(chē)制造商以及供應商在研發(fā)應用操作系統降低成本。

　　典型的LIN 總線(xiàn)應用是汽車(chē)中的聯(lián)合裝配單元，如：門(mén)、方向盤(pán)、座椅、空調、照明燈、濕度傳感器，交流發(fā)電機等。對于這些成本比較敏感的單元，LIN 可以使那些機械元件如智能傳感器、制動(dòng)器或光敏器件得到較廣泛的使用。這些元件可以很容易的連接到汽車(chē)網(wǎng)絡(luò ) 中并得到十分方便的維護和服務(wù)。在LIN 實(shí)現的系統中通常將模擬信號量用數字信號量 所替換，這將使總線(xiàn)性能優(yōu)化。在以下的汽車(chē)電子控制系統中使用LIN 來(lái)實(shí)現將得到非常完美的效果：

　　LIN節點(diǎn)硬件設計

　　1 LIN接口總體設計

　　LIN 節點(diǎn)硬件上主要包括LIN接口電路部分、控制輸入部分、顯示電路或負載驅動(dòng)輸出等，其中LIN接口為節點(diǎn)的核心。以Microchip公司的 PIC16F87為控制器、TJA1020為L(cháng)IN收發(fā)器、SA57022 為開(kāi)關(guān)電源的LIN接口電路如圖1所示。SA57022電源輸出的打開(kāi)與關(guān)斷由LIN收發(fā)器控制通過(guò)INH引腳控制。

　　圖1 LIN接口原理圖

　　因主機節點(diǎn)需為網(wǎng)絡(luò )中的從機節點(diǎn)提供時(shí)鐘基準，故在主機節點(diǎn)中為PIC16F87配置了外部晶振。在從機節點(diǎn)中，從機節點(diǎn)可通過(guò)主機節點(diǎn)發(fā)送幀頭中的同步場(chǎng)來(lái)校準自身波特率，故可省去外部晶振而使用PIC16F87內置的RC振蕩器。

　　2 LIN收發(fā)器應用設計

　　TJA1020 為L(cháng)IN收發(fā)器，它是LIN 協(xié)議控制器和LIN傳輸媒體之間的接口，是節點(diǎn)的核心器件，負責收發(fā)數據時(shí)總線(xiàn)的波形調整和電平轉換及節點(diǎn)多種工作模式的實(shí)現。TJA1020按LIN物理層規范集成了片內從機端電阻，在從機節點(diǎn)應用中無(wú)須再外接從機端電阻，在主機節點(diǎn)應用中按圖1所示在其INH引腳和LIN引腳之間串接主機端電阻和二極管可提高總線(xiàn)的驅動(dòng)能力，并在總線(xiàn)對地短路時(shí)使節點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，減少電流損耗。

　　以TJA1020為收發(fā)器構造的LIN節點(diǎn)具有普通、低斜率、睡眠、準備四種工作模式，以盡可能降低功耗和電磁輻射，各種模式下的節點(diǎn)狀態(tài)和模式間轉換如圖2所示。

　　圖2 工作模式的節點(diǎn)狀態(tài)以及模式間的切換

　　LIN節點(diǎn)軟件設計

　　1 LIN主機節點(diǎn)軟件設計

　　LIN主機節點(diǎn)行使幀處理和LIN網(wǎng)絡(luò )的通信管理職能，程序流程如圖3所示。

　　圖3 主機程序流程

　　LIN規范規定，同步間隔場(chǎng)為至少13個(gè)連續的顯性位(低電平)。LIN 通信基于通用UART/SCI接口，字節傳送使用8N1編碼，無(wú)法直接產(chǎn)生這樣一個(gè)顯性序列。

　　總線(xiàn)的正常通信波特率為9.6k,從機節點(diǎn)始終以此波特率工作，主機節點(diǎn)在需要發(fā)送同步間隔場(chǎng)時(shí)將波特率降低到4.8k,并發(fā)送0x00,則工作于9.6k 波特率的從機節點(diǎn)將檢測到18個(gè)連續的顯性位，從而判斷一個(gè)新報文幀的到來(lái)。主機節點(diǎn)在發(fā)送完同步間隔場(chǎng)后將波特率恢復到9.6k.

　　2 LIN從機節點(diǎn)軟件設計

　　LIN從機節點(diǎn)的職能可概括為幀頭檢測與接收和幀處理這兩部分。在每個(gè)報文幀的幀頭中由配置晶體振蕩器的主機節點(diǎn)通過(guò)同步場(chǎng)給從機節點(diǎn)提供波特率基準，從機節點(diǎn)通過(guò)測量同步場(chǎng)來(lái)校準自身波特率，以保證在報文傳輸中各節點(diǎn)之間的同步。

　　同步場(chǎng)邏輯值為0x55,波形如圖4所示。從機節點(diǎn)通過(guò)測量同步場(chǎng)中第1和第5個(gè)下降沿之間的時(shí)間間隔來(lái)計算校準自身波特率。

　　圖4 同步場(chǎng)波形圖

　　設主機節點(diǎn)和從機節點(diǎn)的串行口均工作于方式1(8位UART,波特率可變)，主機節點(diǎn)波特率為B,從機節點(diǎn)以定時(shí)器測量同步場(chǎng)第1和第5個(gè)下降沿得到的計數個(gè)數為C,從機節點(diǎn)振蕩器當前頻率為fs,得到式(1)。

　　設從機節點(diǎn)計數器1作為波特率發(fā)生器工作于常數自動(dòng)重新裝入的8位定時(shí)器/計數器方式，得到式(2)。

　　使從機節點(diǎn)與主機節點(diǎn)同步，則令：

　　Bs=B

　　由式(1)~式(3)可得到式(4)。

　　從機節點(diǎn)以由式(4)計算得到的N值作計數器1產(chǎn)生波特率的重新裝入值，可產(chǎn)生與主機節點(diǎn)一致的波特率。

　　節點(diǎn)制作與實(shí)驗

　　利用該設計制作LIN節點(diǎn)構建LIN網(wǎng)絡(luò )，對其進(jìn)行了通信試驗和初步的抗干擾試驗。由于報文幀頭和報文幀響應均由主機節點(diǎn)發(fā)送，報文幀幀頭和報文幀響應間的幀間響應間隔較小。

　　當LIN從機節點(diǎn)在LIN主機節點(diǎn)的引導下相互傳送指令或信息時(shí)，LIN網(wǎng)絡(luò )上進(jìn)行從機節點(diǎn)到從機節點(diǎn)的數據傳輸，此時(shí)LIN主機節點(diǎn)發(fā)送報文幀幀頭，一個(gè)LIN從機節點(diǎn)發(fā)送報文幀響應，另一個(gè)或幾個(gè)LIN從機節點(diǎn)接收報文幀響應。由于這種報文幀傳送需要3個(gè)甚至3個(gè)以上節點(diǎn)參與，故預留了較長(cháng)的幀間間隔，以便報文幀響應的發(fā)送節點(diǎn)和接收節點(diǎn)有充足的響應時(shí)間，確保報文幀傳送的順利完成。

　　當LIN主機節點(diǎn)向某從機節點(diǎn)請求數據時(shí)，LIN總線(xiàn)上進(jìn)行從機節點(diǎn)到主機節點(diǎn)的數據傳輸，此時(shí)LIN主機節點(diǎn)發(fā)送報文幀頭， LIN從機節點(diǎn)接收報文幀幀頭后發(fā)送報文幀響應， LIN主機節點(diǎn)接收報文幀響應。

　　汽車(chē)電磁環(huán)境惡劣，因此汽車(chē)通信系統的抗干擾能力尤為重要，按該設計制作的LIN網(wǎng)絡(luò )在BZ-5型汽車(chē)電火花干擾試驗臺上進(jìn)行了抗干擾實(shí)驗，試驗中網(wǎng)絡(luò )通信順利，各項功能正常。

　　結束語(yǔ)

　　對總線(xiàn)式車(chē)身控制系統中的CAN/LIN混合網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行深入研究，給出車(chē)身混合網(wǎng)絡(luò )結構中主控節點(diǎn)設計與實(shí)現。在車(chē)身控制系統中，將LIN總線(xiàn)連入低速車(chē)身系統中，通過(guò)主控節點(diǎn)將CAN總線(xiàn)和LIN總線(xiàn)構建成混合控制網(wǎng)絡(luò )，使其控制系統兼具可靠性、高性能和低成本優(yōu)點(diǎn)。在器件選型上采用FREESCALE典型汽車(chē)電子芯片和智能觸點(diǎn)檢測模塊，既實(shí)現了可靠網(wǎng)絡(luò )控制功能，同時(shí)也降低汽車(chē)的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)成本，具有較高實(shí)用性。