LIN總線(xiàn)在車(chē)身控制中的應用

電子設計應用2004年第9期

摘要：隨著(zhù)車(chē)內電控單元的增加，車(chē)內通訊網(wǎng)絡(luò )也日趨多樣化。汽車(chē)電子協(xié)會(huì )（SAE）將車(chē)內通訊網(wǎng)絡(luò )分成四類(lèi)，其中A類(lèi)低速網(wǎng)絡(luò )主要應用在燈光控制，車(chē)門(mén)車(chē)窗控制等車(chē)身控制。LIN(Local Interconnect Network)是多家汽車(chē)制造商和半導體公司為降低通訊成本提高性能所提出的符合A類(lèi)的通訊標準。LIN以其通訊成本低，開(kāi)發(fā)方便等優(yōu)勢在車(chē)身控制方面有著(zhù)良好的應用前景。本文對LIN總線(xiàn)進(jìn)行了詳細的描述，并以燈光控制為例說(shuō)明LIN總線(xiàn)在車(chē)身控制中的應用。

關(guān)鍵詞：車(chē)內通訊網(wǎng)絡(luò )   LIN總線(xiàn)  車(chē)身控制  燈光控制

The Application of LIN Bus in Automotive Body Control

Abstract：With the increasing of Electronic Control Unit (ECU) in vehicle, communication networks in vehicle are in variety. The Society of Automotive Engineers (SAE) classified in-vehicle networks into four classes, in which the Class A for low-speed networks mainly apply for body control system such as light control, doors and windows control. In order to reduce costs and enhance performance, many automotive manufactures and semiconductor companies created a new communication standard in line with Class A, that is LIN (Local Interconnect Network). LIN is a low-cost and easier development network, which will well apply for body control system. This paper describes LIN bus in detail and explains LIN bus how to apply for automotive body control by the example of light control. 

1. 引言

　　由于車(chē)內電控單元的增多導致車(chē)內線(xiàn)束大量增加，這帶來(lái)了很多問(wèn)題：減少了布局空間；

　　給制造和安裝增加了難度；當增加額外的功能時(shí)將會(huì )增加線(xiàn)束，使性?xún)r(jià)比難以改善；大量線(xiàn)束增加了車(chē)的重量，這不利于提高燃油效率和性能；數量眾多的連接點(diǎn)增加了故障隱患。因此車(chē)內引入通訊網(wǎng)絡(luò )來(lái)管理逐漸增多的電子器件是非常必要的。汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )能夠靈活方便的集成各子系統從而實(shí)現更復雜的系統，同時(shí)減少了車(chē)內線(xiàn)束和車(chē)重量，減少了由電控單元帶來(lái)的成本的增加，并且提高了系統的可靠性。車(chē)內通訊網(wǎng)絡(luò )種類(lèi)很多，汽車(chē)電子協(xié)會(huì )（SAE）將車(chē)內通訊網(wǎng)絡(luò )分成四類(lèi)，見(jiàn)下表：

 
　　電控單元之間的通訊根據對通訊帶寬和通訊速度的要求選擇不同的通訊網(wǎng)絡(luò )。車(chē)身控制部分的電控單元由于傳輸的數據量比較少且對實(shí)時(shí)性要求不高，所以車(chē)身控制部分采用A類(lèi)低速通訊網(wǎng)絡(luò )即可。目前很多車(chē)身控制解決方案中采用CAN的低速網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現通訊。而最近多家汽車(chē)制造商和半導體公司共同制定了可實(shí)現車(chē)內舒適性和方便性應用的低速網(wǎng)絡(luò )的通訊標準，該項通訊標準便是LIN。由于LIN是基于通用的SCI/UART接口的，不像CAN需要專(zhuān)用的控制器，而且LIN是單線(xiàn)傳輸的，其通訊成本要低于CAN，因此用LIN來(lái)代替原有的低速CAN，可以降低系統成本提高系統性能。

2. LIN 總線(xiàn)概述

　　LIN總線(xiàn)的方案是由眾多汽車(chē)制造商和半導體公司創(chuàng )建的,其目的是為了找到更低成本的子總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，作為使用廣泛的CAN通訊網(wǎng)絡(luò )的輔助。LIN網(wǎng)絡(luò )是基于主從結構的，使用單線(xiàn)通訊，減少了大量線(xiàn)束的重量和費用。LIN目標應用是不需要CAN的性能、帶寬及復雜性的低速系統，如

　　開(kāi)關(guān)類(lèi)負載或位置型系統包括車(chē)的后視鏡、車(chē)鎖、車(chē)座椅、車(chē)窗等的控制。LIN更有助于實(shí)現汽車(chē)中與CAN網(wǎng)絡(luò )連接的分布式控制系統。

2.1 LIN總線(xiàn)特點(diǎn)
　
　　•低成本的單線(xiàn)12v數據傳輸，線(xiàn)的驅動(dòng)和接收特性符合改進(jìn)的ISO 9141單線(xiàn)標準

　　•傳輸速率可達20Kbit/s

　　•單主/多從的結構，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)

　　•基于通用UART/SCI的硬件接口，使用成本低的半導體工藝實(shí)現，幾乎所有的微控制器都有LIN 必需的硬件

　　•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)硬件成本

　　•保證在最差狀況下信號傳送的等待時(shí)間，來(lái)避免總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)沖突。

2.2 LIN的通訊協(xié)議和數據幀格式

　　LIN網(wǎng)絡(luò )由一個(gè)主節點(diǎn)和多個(gè)從節點(diǎn)構成。所有的節點(diǎn)都包括一個(gè)從任務(wù)(slave task)，從任務(wù)又分成發(fā)送和接受任務(wù)，主節點(diǎn)還包括一個(gè)主任務(wù)(master task)。在LIN網(wǎng)絡(luò )中所有通訊都是由主任務(wù)發(fā)起的，如下圖所示。主任務(wù)發(fā)送一幀頭（message head）給所有的從任務(wù)，幀頭由三部分組成：同步間隔（synch break），同步場(chǎng)（synch field）和信息識別符（identifier）。

　　從任務(wù)通過(guò)信息識別符來(lái)判斷是否響應主任務(wù)，若需要響應主任務(wù)則開(kāi)始發(fā)送響應信息。響應信息由2，4或8個(gè)數據字節和1個(gè)校驗和字節組成。

　　信息識別符表示的是信息的內容，而不是信息的目的地址。這樣定義可使多個(gè)節點(diǎn)收到同樣的信息，并且數據能夠以多種方式交換。數據可以從主節點(diǎn)發(fā)送到一個(gè)或多個(gè)從節點(diǎn)，也可以通過(guò)從節點(diǎn)發(fā)送給主節點(diǎn)或其他從節點(diǎn)。因此從節點(diǎn)之間通訊并不需要經(jīng)過(guò)主節點(diǎn)，并且主節點(diǎn)可以將信息廣播給網(wǎng)絡(luò )內的所有節點(diǎn)。主節點(diǎn)中的主任務(wù)控制數據幀的發(fā)送時(shí)序和優(yōu)先級。

　　主節點(diǎn)傳送信息到從節點(diǎn)，而從節點(diǎn)只在主節點(diǎn)詢(xún)問(wèn)時(shí)才傳送信息。從節點(diǎn)僅在需要發(fā)出喚醒信息的時(shí)候才主動(dòng)地發(fā)送信息。

　　LIN的數據幀由幀頭和響應信息組成，如圖1所示。幀頭由主任務(wù)發(fā)出，主任務(wù)在發(fā)出同步間隔后發(fā)送同步場(chǎng)（0x55），從節點(diǎn)利用同步場(chǎng)將它的波特率調整到傳送來(lái)的信號的波特率。之后，發(fā)送一字節的信息識別符，其中0～3位表示信息類(lèi)別，4~5位表示信息長(cháng)度，7~8位是奇偶校驗。從任務(wù)通過(guò)該字節判斷數據是否自己有關(guān)，并確定自己如何處理該數據。響應信息是由從任務(wù)發(fā)出的，由2個(gè)、4個(gè)或8個(gè)字節長(cháng)度的數據和1個(gè)字節的和校驗構成。和校驗（checksum）表示數據幀結束，和校驗是通過(guò)計算數據的全部字節而得到的（不包括識別字節及同步場(chǎng)）。

　　LIN 總線(xiàn)的另一個(gè)幀是睡眠幀，由主任務(wù)發(fā)出，它的作用是讓總線(xiàn)和節點(diǎn)進(jìn)入低功耗狀態(tài)。睡眠幀的識別字段包含數值 0x80之外，除此之外，睡眠幀與數據幀是相似的。當收到喚醒信號時(shí)，總線(xiàn)睡眠狀態(tài)便中止。喚醒信號由從任務(wù)發(fā)出。
　　
2.3 LIN的物理接口

　　LIN的物理接口如下圖所示，LIN的物理接口是基于通用的SCI (UART)的硬件接口的，SCI (UART)接口是幾乎所有的微處理器都集成的硅模塊，因此使用LIN更加方便。LIN是單線(xiàn)傳輸數據的，每個(gè)節點(diǎn)通過(guò)上拉電阻線(xiàn)與總線(xiàn)，電源從汽車(chē)電源網(wǎng)絡(luò )獲得VBAT。和上拉電阻串聯(lián)的二極管可以防止電子控制單元ECU 在本地電池掉電的情況下通過(guò)總線(xiàn)上電。

3. Lin車(chē)身控制應用方案

　　車(chē)身控制系統主要包括燈光控制模塊，車(chē)門(mén)控制模塊和儀表顯示模塊等，這些模塊的基本原理是采集各種開(kāi)關(guān)的狀態(tài)量根據這些狀態(tài)量來(lái)驅動(dòng)負載動(dòng)作，所以車(chē)身控制系統的控制對象主要是不同功率的燈、低速電機、電磁閥和開(kāi)關(guān)量器件。它們對信息傳輸的實(shí)時(shí)性要求不高, 因此車(chē)身控制系統的通訊網(wǎng)絡(luò )采用A類(lèi)標準即可。LIN正是眾多汽車(chē)生產(chǎn)商和半導體公司聯(lián)合提出的A類(lèi)車(chē)用通訊網(wǎng)的開(kāi)放總線(xiàn)協(xié)議標準。同時(shí)考慮到車(chē)身控制系統對成本比較敏感，LIN以其低成本的優(yōu)勢成為車(chē)身控制系統網(wǎng)絡(luò )的首選。

　　下圖給出了卡車(chē)車(chē)身控制系統的解決方案。車(chē)身控制系統的這些電控模塊與汽車(chē)驅動(dòng)系統分開(kāi)有利于保證驅動(dòng)系統的實(shí)時(shí)性，這也是汽車(chē)內通訊網(wǎng)絡(luò )分級的一個(gè)原因。車(chē)身控制系統的中央控制模塊也是一個(gè)網(wǎng)關(guān)，將CAN網(wǎng)絡(luò )和LIN網(wǎng)絡(luò )連接起來(lái)。

　　本文選取中央控制模塊和燈光控制模塊來(lái)說(shuō)明LIN總線(xiàn)的應用。中央控制模塊位于車(chē)的駕駛室內，主要檢測駕駛室內控制開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，并根據這些控制開(kāi)關(guān)的狀態(tài)實(shí)現相應的控制策略，然后將控制命令通過(guò)LIN總線(xiàn)發(fā)送給向各子模塊，同時(shí)通過(guò)CAN總線(xiàn)接收上層CAN網(wǎng)絡(luò )的某些信息。中央控制模塊的MCU選用Motorola公司的08系列單片機MC68HC908GZ16，該芯片是一款可靠性高和抗干擾能力強的汽車(chē)專(zhuān)用芯片，其內部集成了CAN的控制器，并有SCI模塊，這方便了CAN和LIN的開(kāi)發(fā)。中央控制模塊中的CAN接口芯片采用Motorola公司的MC33388,LIN的接口芯片采用Motorola公司的MC33399。中央控制模塊的POWER單元作用是將車(chē)內24v電壓轉換成5v供給MCU。DETECT單元作用是采集開(kāi)關(guān)量的狀態(tài)，將并行的數據轉換成串行數據送給MCU。中央控制模塊還可以根據不同需求增加驅動(dòng)單元，在本例中，中央控制模塊還完成了驅動(dòng)車(chē)內的內飾燈和雨刷電機的工作，驅動(dòng)芯片分別選取Motorola公司的MC33286和MC33289。

　　燈光控制模塊有兩塊，分別位于車(chē)的前部和后部，主要控制前部和后部的車(chē)燈。燈光控制模塊的MCU采用Motorola公司的低成本的單片機MC68HC908EY4，驅動(dòng)芯片根據車(chē)燈所需功率來(lái)選取，本文選取了多片Motorola公司的MC33288和MC33286。

4.結論

　　LIN總線(xiàn)在車(chē)身控制系統的應用，降低了低端通訊網(wǎng)絡(luò )的成本，同時(shí)增加了設計的靈活性，提高了系統的可靠性，有利于分布式車(chē)身控制系統的開(kāi)發(fā)。因此LIN總線(xiàn)在汽車(chē)領(lǐng)域有著(zhù)良好的應用前景，此外LIN總線(xiàn)作為一種開(kāi)放協(xié)議，還可用在工業(yè)和家電領(lǐng)域，實(shí)現對速度要求不高，短距離連接的設備間的通訊。

參考文獻：

1 LIN Specification Package 2.0 online. LIN Consortium.2003

2 Local Interconnect Network Applications. Motorola Inc.2004

3 Local Interconnect Network (LIN) Demonstration. Motorola Inc.2000