基于PSoC技術(shù)的LIN總線(xiàn)數據分析儀

　　摘要： 隨著(zhù)汽車(chē)電子技術(shù)的發(fā)展，LIN(Local Interconnect Network)總線(xiàn)技術(shù)更多地運用到汽車(chē)的分布式電子控制系統中。在LIN協(xié)議的各種實(shí)現方法和分析工具中，比較各種方法和工具的性能，優(yōu)缺點(diǎn)，采用PsoC和WirelessUSB技術(shù)實(shí)現LIN總線(xiàn)分析儀。因為PsoC具有硬件模塊可重配置功能以及芯片在不同的時(shí)鐘周期中實(shí)現不同的功能，能有效地節約設計時(shí)間，降低了系統功耗和開(kāi)發(fā)成本。

　　關(guān)鍵詞: LIN;PSoC;WierlessUSB

　　引言

　　LIN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。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。

　　目前，低成本的局部互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )LIN在汽車(chē)電子和工業(yè)控制中的應用越來(lái)越廣泛，而基于LIN總線(xiàn)的協(xié)議分析和調試測試工具少且昂貴。大部分LIN總線(xiàn)開(kāi)發(fā)工具存在一些問(wèn)題：(1)調試LIN總線(xiàn)通常做法是通過(guò)網(wǎng)關(guān)將LIN幀轉換成CAN幀，再用基于CAN的測試工具間接調試LIN，當網(wǎng)關(guān)出現問(wèn)題時(shí)這種方式就行不通;(2)和PC連接時(shí)采用串口或USB接口等有線(xiàn)的連接方式，在特定環(huán)境無(wú)法引線(xiàn)的情況下無(wú)法進(jìn)行現場(chǎng)開(kāi)發(fā)調試。

　　SoC(System on a Chip 片上系統)技術(shù)是將微控制器或DSP核、存儲器、邏輯電路、I/O接口及其他功能模塊綜合在一顆芯片上的系統解決方案。由于處理器和存儲器的可編程能力，使得這種以CPU為核心的解決方案具有很強的靈活性和可修改能力。賽普拉斯(Cypress)公司開(kāi)發(fā)的 PSoC是目前最具靈活性的基于微控制器的片上系統解決方案，它模塊化的片內數字和模擬電路不僅具有很高的可編程性，而且還可以實(shí)現動(dòng)態(tài)重新配置，即在運行時(shí)根據系統不同時(shí)刻的需求，通過(guò)編程動(dòng)態(tài)地改變存儲在片內閃速存儲器中設定的參數，重新定義系統所需要功能模塊的種類(lèi)和數量，動(dòng)態(tài)地完成芯片資源的重新分配，實(shí)現新的外圍元器件的功能。采用PSoC可以迅速縮短設計周期，降低設計風(fēng)險，保證系統資源的最大化、最合理化和最經(jīng)濟化應用，在無(wú)線(xiàn)、手持式設備、數據通信和工業(yè)系統設計等領(lǐng)域PSoC都有著(zhù)廣泛的應用。

　　WirelessUSB是Cypress公司專(zhuān)門(mén)針對短距離點(diǎn)到點(diǎn)或多點(diǎn)到點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)連接而設計的一種低延遲、干擾免疫、低成本和低功耗的短距離無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，適合無(wú)線(xiàn)電腦外設和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用。WirelessUSB的協(xié)議是輕量級的，可以在只帶256字節RAM和8K字節ROM的8位微控制器中實(shí)現。WirelessUSB使用頻分多址(FDMA)和碼分多址(CDMA)，可有效避開(kāi)其它無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的干擾，能夠與藍牙、Wi-Fi等無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )共存，在面向2.4GHz無(wú)線(xiàn)系統的同類(lèi)產(chǎn)品中提供最佳的抗干擾性能。傳輸距離從10米(最高1Mbps)到50米(最高62.5Kbps)，使用既有的USB架構，因此無(wú)須特別的驅動(dòng)軟件。

　　為彌補LIN網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)工具的不足，本文提出的方案—基于PSOC的無(wú)線(xiàn)LIN總線(xiàn)分析儀，通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接能并行調試多個(gè)LIN總線(xiàn)，在有效降低開(kāi)發(fā)成本和提高開(kāi)發(fā)效率的同時(shí)提供更好的擴展性和靈活性。

　　LIN總線(xiàn)分析儀硬件介紹

　　LIN總線(xiàn)數據分析系統由主機橋接器(1個(gè))和總線(xiàn)監控終端(多個(gè))兩部分組成?？偩€(xiàn)監控終端采集LIN總線(xiàn)上的數據，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送給主機橋接器;主機橋接器從無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上接收LIN總線(xiàn)監控數據，通過(guò)USB接口發(fā)送到PC，由PC監控軟件對數據做進(jìn)一步處理。系統可以實(shí)現數據監聽(tīng)、錯誤檢測、主機仿真、從機仿真等功能。

　　系統的硬件由主機橋接器(通過(guò)USB接口連接PC)和LIN總線(xiàn)監控終端(連接LIN總線(xiàn))組成，LIN總線(xiàn)監控終端選用MCU+RF的構架，包括PSoC控制器、射頻收發(fā)器、LIN收發(fā)器和電源管理等，硬件原理圖如圖1所示。

圖1  總線(xiàn)監控終端硬件原理圖

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　　主機橋接器采用PRoC架構，在單芯片內集成了線(xiàn)性穩壓器、enCoRe-II微控制器、USB設備和射頻收發(fā)器，僅需極少的外部元件，其硬件結構如圖2所示。

圖2  主機橋接器的硬件結構圖

　　系統在選擇控制器時(shí)考慮到功能的擴展，選用了功能強大的CY8C29466，它集成了性能為4MIPS的8位M8C處理器、32K的Flash、2K的SRAM，還集成了24/48MHz晶振、32KHz晶振，以及16個(gè)可編程的功能強大的數字用戶(hù)模塊、12個(gè)模擬用戶(hù)模塊和可編程的內部互聯(lián)，可非常方便地選用多達100種的外設和設置連接方式，將PCB上大部分的元件和走線(xiàn)移到芯片內部，而且可動(dòng)態(tài)重配置，開(kāi)發(fā)非常靈活。

　　系統中的射頻芯片選擇CYRF6936，它屬于WirelessUSB LP系列，是Cypress的第二代射頻片上系統(SoC)，兼容第一代的CYWUSB69XX器件。CYRF6936增加了一系列增強的特性，包括更廣的操作電壓范圍(1.8~3.6V)、更小的工作電流、更高的數據率(最大速率為1Mbps)、更短的晶振起振時(shí)間、同步穩定時(shí)間和鏈路切換時(shí)間。CYRF6936可用于無(wú)線(xiàn)鼠標鍵盤(pán)、無(wú)線(xiàn)操縱桿、遠程無(wú)線(xiàn)傳感和控制、無(wú)線(xiàn)耳機、家庭自動(dòng)化和自動(dòng)化儀表等。

　　主機橋接器(Bridge)選用Cypress的PRoC(Programmable Radio On Chip) LP(Low Power)芯片CYRF69213。PRoC LP器件在一個(gè)芯片里集成了微控制器和射頻收發(fā)器，是同樣封裝提供雙重功能的單芯片解決方案，它主要集成了性能為4MIPS的8位M8C處理器、USB2.0低速接口、2.4GHz射頻收發(fā)器，內部還集成了3.3V電壓調節器和USB上拉電阻等，大大減少外部元件，縮小電路板面積，有效降低成本。CYRF69213的主要用于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的橋接器，將無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的數據通過(guò)USB接口發(fā)往PC機，同時(shí)將PC機的控制命令發(fā)給無(wú)線(xiàn)設備。

　　局部互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )(LIN)是車(chē)身網(wǎng)絡(luò )的最低層級的網(wǎng)絡(luò )，它提供了傳感器和執行器之間的低成本通信。本論文采用LIN總線(xiàn)驅動(dòng)器MC33661符合LIN 2.0規范，很好地解決了以前的驅動(dòng)器MC33399模式過(guò)于單一、無(wú)法調節翻轉頻率導致器件功耗較大、驅動(dòng)功率不夠等問(wèn)題。

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　　考慮到系統的外部電源、MCU和無(wú)線(xiàn)射頻模塊的工作電源、MCU的工作電流，電源模塊選用帶關(guān)斷功能的低壓差線(xiàn)性穩壓器LT1121-5(5V穩壓)和高效率的線(xiàn)性電壓調節器AMS1117-3.3(3.3V穩壓)。系統的硬件實(shí)物圖如圖3，4所示。

圖3 主機橋接器的實(shí)物圖

圖4 總線(xiàn)監控終端的實(shí)物圖

　　LIN總線(xiàn)分析儀軟件介紹

　　本系統的軟件設計方案圍繞著(zhù)數據的提取、傳輸和處理。從數據流向上看，數據經(jīng)過(guò)四個(gè)階段的處理，分別是LIN總線(xiàn)協(xié)議處理(從總線(xiàn)上提取數據幀)、WirelessUSB協(xié)議處理、USB協(xié)議處理和PC監控軟件的處理(顯示監控數據和總線(xiàn)信息)。本系統軟件可分成三大部分：總線(xiàn)監控終端、主機橋接器和PC，其中總線(xiàn)監控終端包括LIN協(xié)議處理和WirelessUSB協(xié)議處理，主機橋接器包括WirelessUSB協(xié)議處理和USB協(xié)議處理，PC包括USB協(xié)議處理和監控軟件處理。

　　軟件需要處理的任務(wù)