汽車(chē)LIN網(wǎng)絡(luò )解決方案淺析

　　在對汽車(chē)所有節點(diǎn)進(jìn)行集中控制方面，本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )(LIN)提供了一種低速率、低成本的實(shí)施方法。

　　LIN總線(xiàn)是針對低成本應用而開(kāi)發(fā)的汽車(chē)串行協(xié)議。它對現有CAN網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行了補充，支持車(chē)內的分層式網(wǎng)絡(luò )。本文討了幾種LIN網(wǎng)絡(luò )方案，并比較了各個(gè)解決方案的優(yōu)劣勢。 

　　　                              圖1：?jiǎn)蝹€(gè)LIN網(wǎng)路連接示意圖?！　?/p>

　　LIN總線(xiàn)是針對低成本應用而開(kāi)發(fā)的汽車(chē)串行協(xié)議，是對現有CAN網(wǎng)絡(luò )的補充，支持車(chē)內的分層式網(wǎng)絡(luò )。該協(xié)議是簡(jiǎn)單的主/從配置，主要流程在主節點(diǎn)上完成。為了減少成本，從節點(diǎn)應當盡量簡(jiǎn)單。

　　LIN總線(xiàn)是主從協(xié)議，總線(xiàn)中的所有數據傳輸都由主節點(diǎn)發(fā)起?，F在有兩種完全不同的方法可以將數據傳輸到從節點(diǎn)，即主-從傳輸(主節點(diǎn)中的從任務(wù)傳輸數據)或從-從傳輸(主節點(diǎn)發(fā)送幀頭，從某個(gè)從節點(diǎn)傳輸數據，然后由另一從節點(diǎn)接收該數據)。這兩種方法具有不同的優(yōu)勢和劣勢。

　　LIN協(xié)議是時(shí)間觸發(fā)型，不需要總線(xiàn)仲裁，同樣可以計算每條信息幀在最差環(huán)境的定時(shí)。每條信息幀的傳輸都由主節點(diǎn)上執行的調度表控制。調度表在既定時(shí)間傳輸信息幀幀頭。 

　　　                        圖2：2個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò )連接示意圖?！　?/p>

　　網(wǎng)絡(luò )實(shí)施

　　本節主要介紹單個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò )、多個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò )和混合CAN/LIN網(wǎng)絡(luò )的各個(gè)方面。

　　單個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò )(多個(gè)門(mén)節點(diǎn))

　　在這類(lèi)網(wǎng)絡(luò )中，車(chē)身控制器模塊(BCM)將通過(guò)單個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò )與其它所有節點(diǎn)相連。如圖1所示：

　　這類(lèi)網(wǎng)絡(luò )有非常直接的結構體系，LIN連接有效地取代了CAN解決方案。雖然LIN協(xié)議最初是設計為對CAN進(jìn)行補充(而不是替換CAN)，但是如圖1所示的連接可以實(shí)現一個(gè)簡(jiǎn)單的LIN解決方案。 

　　                                       圖3：CANLIN混合網(wǎng)絡(luò )解決方案?！　?/p>

　　這還是一個(gè)能降低成本的解決方案，因為它不需要任何CAN節點(diǎn)。BCM是LIN 網(wǎng)絡(luò )的主節點(diǎn)，所有LIN節點(diǎn)都可以接入LIN網(wǎng)絡(luò )上傳輸的所有信息。采用該種解決方案，網(wǎng)絡(luò )上通常擁有5個(gè)LIN節點(diǎn)。減少節點(diǎn)數量和定義初始信息傳輸方法使網(wǎng)絡(luò )更直接有效。

　　但是，制訂進(jìn)度表(定義哪條信息會(huì )在網(wǎng)絡(luò )中以什么順序出現)比較困難。如果該系統使用從節點(diǎn)--從節點(diǎn)通信，就可以簡(jiǎn)化進(jìn)度表的制訂過(guò)程，因為它把把網(wǎng)絡(luò )流量減少到最小程度。例如，如果一個(gè)車(chē)門(mén)有任何鍵盤(pán)操作，這時(shí)主節點(diǎn)需要作出決策：網(wǎng)絡(luò )上的任何節點(diǎn)都能在同一個(gè)信息幀內做出響應。

　　這類(lèi)網(wǎng)絡(luò )信息流最短，從而引起的EMC問(wèn)題最少。同時(shí)，流量密度的降低，還有助于減少輻射。此外，由于所有節點(diǎn)都通過(guò)單線(xiàn)連接，因而將接頭數量減到最少，這樣增加了可靠性。 

　　　               圖4：LIN網(wǎng)絡(luò )車(chē)門(mén)解決方案1?！　?/p>

　　兩個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò )

　　為了克服單個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò )的缺點(diǎn)，部分公司開(kāi)始使用雙LIN網(wǎng)絡(luò )。如圖2所示。

　　BCM控制兩個(gè)完全獨立的LIN網(wǎng)絡(luò )，使得制制訂進(jìn)度表變得相對簡(jiǎn)單，網(wǎng)絡(luò )靈活性也增強，即使出現撞車(chē)事件，大部分網(wǎng)絡(luò )保持完整性的可能性也很大仍能保持完整狀態(tài)。同時(shí)采用兩個(gè)完全獨立的LIN網(wǎng)絡(luò )，有利于各個(gè)網(wǎng)進(jìn)行及時(shí)通信。

　　具備LIN分層結構的CAN

　　僅僅依靠LIN不能克服所有的局限。那么，在汽車(chē)應用中怎么應用LIN呢？我們在前面的介紹中提到，LIN是作為CAN的補充，而不是徹底替換CAN。圖3是CAN/LIN混合網(wǎng)絡(luò )的解決方案：

　　如前所述，通常BCM和四個(gè)車(chē)門(mén)通過(guò)一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò )連接。這是目前大量生產(chǎn)商采用的典型方案。這時(shí)，每個(gè)車(chē)門(mén)內的高性能控制器(MCU)，如常見(jiàn)的飛思卡爾HC908AZ60A, 直接控制車(chē)窗和車(chē)鏡。

　　采用LIN結構實(shí)現車(chē)門(mén)功能，就可以選擇規格更小的MCU(如HC908GZ16)，它除了能為BCM通信提供必要的CAN接口，還有足夠的資源去控制單個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò )。在本例中，駕駛員車(chē)門(mén)MCU除了是BCM 的CAN 接口，還是控制后視鏡、鍵盤(pán)、鎖和車(chē)窗升降等操作的LIN網(wǎng)絡(luò )的主節點(diǎn)。

　　這樣做雖然會(huì )增加車(chē)門(mén)內的MCU，但如果對MCU和LIN狀態(tài)機進(jìn)行合適的選擇，就可以獲得功能更強大、更靈活的分布式系統。 

　　　               圖5：LIN網(wǎng)絡(luò )車(chē)門(mén)解決方案2。

　　車(chē)門(mén)控制

　　前面的例子介紹了車(chē)門(mén)內部的典型LIN網(wǎng)絡(luò )，同時(shí)還針對上面提及的局限性提出了解決方法。但是，現在車(chē)門(mén)網(wǎng)絡(luò )仍然存在幾個(gè)問(wèn)題，特別是功能失效和安全問(wèn)題。車(chē)鏡是系統中最容易被破壞的部件，在市區駕駛時(shí)經(jīng)常被人取走，從而造成網(wǎng)絡(luò )中斷，甚至給部分生產(chǎn)商帶來(lái)無(wú)法承受的風(fēng)險。在安全方面，大量罪犯可以輕松取走車(chē)鏡，從而獲得駕駛員車(chē)門(mén)MCU的直接接入。這又是一個(gè)重大風(fēng)險。

　　有幾種方法可以減少這種風(fēng)險。方法之一如圖4所示：

　　在本例中，車(chē)門(mén)內部有兩個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò )。從圖4可以看到，車(chē)鏡與系統其它部分有效地隔離開(kāi)，大大降低 車(chē)鏡被取走而帶來(lái)的危害。任何罪犯行為只能訪(fǎng)問(wèn)駕駛員車(chē)門(mén)MCU，但無(wú)法接入關(guān)鍵組件，如門(mén)鎖等。
 
　　還有一種方法通過(guò)LIN子節點(diǎn)控制車(chē)鏡。在本例中，安全和可靠性問(wèn)題都能夠有效解決。車(chē)鏡由鍵盤(pán)MCU或LIN節點(diǎn)直接控制。兩種方法都是合適的系統設計。 

　　　               表1：Lin規范中信息幀傳輸持續時(shí)間?！　?/p>

　　典型的LIN節點(diǎn)

　　上面介紹了車(chē)門(mén)內部的LIN網(wǎng)絡(luò )。下面是車(chē)內常見(jiàn)LIN節點(diǎn)的例子。

　　駕駛員車(chē)門(mén)模塊

　　在上面的系統中，該模塊是車(chē)門(mén)網(wǎng)絡(luò )的主節點(diǎn)，提供車(chē)門(mén)內部LIN網(wǎng)絡(luò )的控制和定時(shí)功能。它能控制車(chē)門(mén)內所有LIN 節點(diǎn)，同時(shí)也充當車(chē)身控制模塊(BCM)和本地LIN 網(wǎng)絡(luò )之間的網(wǎng)關(guān)。

　　后視鏡模塊

　　典型的新型后視鏡鏡通常能夠支持X、Y方向和折疊功能。車(chē)鏡模塊還保存車(chē)鏡位置等詳細信息，有時(shí)駕駛員或乘客車(chē)鏡還安裝溫度感應器來(lái)持續監控外界環(huán)境。該信息一般被用作駕駛員信息，也可以作為復雜的發(fā)動(dòng)機管理系統信息。車(chē)鏡模塊通常是LIN從節點(diǎn)。

　　車(chē)窗升降模塊

　　電子車(chē)窗包括升、降和防夾控制。車(chē)窗升降節點(diǎn)一般是LIN 從節點(diǎn)，有時(shí)前車(chē)窗模塊同時(shí)充當BCM的LIN從節點(diǎn)和后車(chē)門(mén)的主節點(diǎn)。

　　門(mén)鎖模塊

　　鎖定功能包括“標準鎖”和“童鎖”。車(chē)門(mén)內部的LIN直接與模塊連接，這也是實(shí)現童鎖功能的前提條件，這樣司機才能取消特定的門(mén)鎖功能。門(mén)鎖模塊一般是LIN 從節點(diǎn)。

　　前開(kāi)關(guān)面板

　　汽車(chē)舒適性控制的大量功能(如鎖門(mén)、車(chē)窗升降和車(chē)鏡控制的開(kāi)關(guān))有時(shí)集成到單個(gè)模塊中，作為L(cháng)IN網(wǎng)絡(luò )的從節點(diǎn)。

　　通信方法

　　如前所述，LIN網(wǎng)絡(luò )的數據通信主要包括兩種不同方法：主-從數據傳輸或從-從數據傳輸。兩種方法都由主節點(diǎn)控制，有各自的優(yōu)勢和劣勢。

　　主-從通信

　　主節點(diǎn)傳輸信息ID，進(jìn)而發(fā)送數據傳輸命令。網(wǎng)上所有LIN節點(diǎn)將該信息進(jìn)行轉換，然后再進(jìn)行相應的操作。

　　根據該主-從通信模式，主節點(diǎn)內部有一個(gè)從節點(diǎn)正在運行。它對正確的ID進(jìn)行響應，然后將規定的比特傳輸到LIN總線(xiàn)。不同LIN節點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò )中都擁有完整的LIN幀，同時(shí)還按照各自的不同應用提供主節點(diǎn)數據和流程。

　　例如，主節點(diǎn)可能希望所有門(mén)鎖都打開(kāi)，這樣每個(gè)門(mén)鎖節點(diǎn)被設定為對單個(gè)信息進(jìn)行響應，然后完成開(kāi)鎖；或者主節點(diǎn)可能傳輸四條不同信息，然后選擇性地打開(kāi)門(mén)鎖。

　　主-從通信模式將大部分調度操作轉移到主節點(diǎn)上，從而簡(jiǎn)化其它節點(diǎn)操作。因此，LIN從節點(diǎn)硬件大幅減少，甚至可能減少為單個(gè)狀態(tài)設備。另一個(gè)優(yōu)勢是，由于主節點(diǎn)能夠同時(shí)與所有節點(diǎn)通信，已信息和要求的ID數量都大大減少。

　　主節點(diǎn)將所有數據通信發(fā)送到全部節點(diǎn)(然后在所有數據傳輸到其它設備之前從節點(diǎn)上接收該數據)，這樣可以檢查傳輸數據的有效性。該操作允許主節點(diǎn)對所有通信進(jìn)行監測，減少或消除潛在錯誤。

　　但是，這種通信方法速度緩慢。這時(shí)，LIN節點(diǎn)很難及時(shí)地接收和處理數據，并選擇性地將它傳輸給其它節點(diǎn)。

　　從-從通信

　　主節點(diǎn)同樣發(fā)送信息幀頭。但是，在從-從通信模式下，響應“從任務(wù)”的是遠程節點(diǎn)，如鍵盤(pán)。當鍵盤(pán)“填滿(mǎn)”信息幀數據字節時(shí)，網(wǎng)上所有節點(diǎn)都能看到整個(gè)傳輸過(guò)程，并響應相應的操作。本例中，車(chē)窗LIN 從節點(diǎn)響應鍵盤(pán)LIN節點(diǎn)數據。

　　與主-從通信相比，從-從通信方法更迅捷。各個(gè)信息幀上的節點(diǎn)共用信息，從而極大地提高響應速度。單個(gè)信息可以打開(kāi)兩扇車(chē)窗，關(guān)閉一個(gè)車(chē)門(mén)，打開(kāi)三個(gè)車(chē)門(mén)或者移動(dòng)車(chē)窗。這樣就可以明顯減少網(wǎng)上的數據流量。

　　但是，從-從通信方法也有不足：首先，各個(gè)從節點(diǎn)的時(shí)鐘源未知，因此從節點(diǎn)將數據傳輸到網(wǎng)絡(luò )時(shí)(根據主節點(diǎn)請求)，數據可能發(fā)生漂移。主節點(diǎn)有一個(gè)精確度很高的時(shí)鐘，因此針對數據漂移得有很高級別的容差范圍，但另一個(gè)接受數據的LIN 從節點(diǎn)卻沒(méi)有這么高，這會(huì )導致數據誤譯。其次，這種情況下，主節點(diǎn)不顯示“從-從”通信已經(jīng)失效。

　　信息幀傳輸持續時(shí)間

　　下表介紹了2、4、8字節信息在傳輸速率為600bit/sec 和19200bit/sec時(shí)的最長(cháng)持續時(shí)間。本協(xié)議專(zhuān)用于1kbps和 20kbps之間的運行，建議在LIN技術(shù)規范中也使用這些傳輸速率。如表1所示。

　　這些數據可能看起來(lái)速率很慢(特別是與CAN 比較時(shí))，但這樣規定有多方面的原因，兩大主要原因是最大限度地降低EMC輻射和簡(jiǎn)化從節點(diǎn)。

　　本文小結

　　隨著(zhù)汽車(chē)的一些智能控制功能轉移到最小節點(diǎn)中，對于能滿(mǎn)足這樣要求的小而可靠的微處理器的需求不斷增加。LIN網(wǎng)絡(luò )方案使大量節點(diǎn)之間的互連變得簡(jiǎn)單、經(jīng)濟高效，因此是理想的解決方案。不過(guò)系統設計人員在設計時(shí)仍應考慮其它因素。