LIN總線(xiàn)概述與汽車(chē)門(mén)控系統設計實(shí)例

　　動(dòng)力和車(chē)速已經(jīng)不再是消費者對汽車(chē)性能的唯一追求，人們越來(lái)越關(guān)心駕車(chē)時(shí)的舒適感、安全保障、功能的易用性，和對環(huán)境的保護等方面。因此，除了車(chē)身系統（Car body）和傳動(dòng)系統（Power Train）等傳統的汽車(chē)控制單元以外，安全系統（Safety）和車(chē)載資通娛樂(lè )系統（Telematics / Infotainment）也隨著(zhù)電子技術(shù)的進(jìn)步而逐漸成熟。

　　現代的汽車(chē)電子系統中，電子控制組件（ECU）因在上述系統中賦予汽車(chē)更高效和更具智能性的操控能力而扮演了重要角色，也實(shí)現了諸如電源、車(chē)燈和門(mén)窗等自動(dòng)檢測功能，給駕駛提供了更大便利。

　　汽車(chē)中的電子系統和組件平均達到80多個(gè)，它們之間越來(lái)越復雜的連接和通信功能對總線(xiàn)技術(shù)提出了需求。車(chē)燈、發(fā)動(dòng)機、電磁閥、空調等設備的傳統連接方式為線(xiàn)纜連接，而如果電子元件之間也用電纜連接則必然造成連接復雜性的提高、可靠性的下降，和整體重量的上升；此外，伴隨而來(lái)的線(xiàn)纜的磨損和老化現象也將使汽車(chē)的安全性能降低。

　　為避免線(xiàn)纜帶來(lái)的各種麻煩，車(chē)載網(wǎng)絡(luò )（In-Vehicle Network）中應用標準化總線(xiàn)技術(shù)則成為較理想的解決方式。按不同的技術(shù)特點(diǎn)和應用領(lǐng)域，車(chē)載總線(xiàn)技術(shù)可分為五類(lèi)。如表一所示，第一類(lèi)LIN、TTP/A等總線(xiàn)傳輸速度最低，適用于車(chē)體控制；第二類(lèi)中速總線(xiàn)，如低速CAN、SAE J1850、VAN（Vehicle Area Network）等，適用于對實(shí)時(shí)性要求不高的通信應用；第三類(lèi)包括高速CAN、TTP/C等技術(shù)，適用于高速、實(shí)時(shí)死循環(huán)控制的多路傳輸網(wǎng)絡(luò )；第四類(lèi)如IDB-C、IDB-M（D2B、MOST、IDB1394）)、IDB-Wireless（Bluetooth）等，一般應用于車(chē)載資通娛樂(lè )網(wǎng)絡(luò )；第五類(lèi)傳輸速度最高，用于最具關(guān)鍵性、實(shí)時(shí)性最高的人身安全系統，包括FlexRay和Byteflight等。

　　本文將主要討論LIN總線(xiàn)技術(shù)規格及在門(mén)控系統中的應用實(shí)例。

        表一　車(chē)載網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)標準

　　LIN技術(shù)概況

　　LIN總線(xiàn)全稱(chēng)為區域互連網(wǎng)絡(luò )（Local Interconnect Network），是一種結構簡(jiǎn)單、配置靈活、成本低廉的新型低速串行總線(xiàn)，和基于序列通訊協(xié)議的車(chē)載總線(xiàn)的子集系統（Sub-bus System）。

　　LIN總線(xiàn)為主從節點(diǎn)構架，即一個(gè)主節點(diǎn)（Master Node）最多可支持16個(gè)從節點(diǎn)（Slave Node）；在從節點(diǎn)中不用晶振（Crystal Oscillator）或陶瓷諧振器（Ceramic Resonator）時(shí)鐘，也能做到自同步性。LIN基于UART / SCI接口協(xié)議，可實(shí)現極低的軟硬件成本；其信號傳播時(shí)間可預先計算，以滿(mǎn)足傳輸的確定性?？偩€(xiàn)電纜的長(cháng)度最多可以擴展到40米左右，數據傳輸率可達 20 kbps。

　　1999年，LIN 1.0版推出后，不斷有新版本出現（LIN 1.3、LIN 2.0），持續改進(jìn)了LIN總線(xiàn)的性能與適用性。美國汽車(chē)工程師協(xié)會(huì )（SAE）下屬的車(chē)輛架構任務(wù)組（Task Force）也基于LIN 2.0提出J2602規范，此舉讓LIN從節點(diǎn)所需要的軟件代碼長(cháng)度縮短，進(jìn)一步降低了LIN 2.0中軟件單元的復雜性，可實(shí)現更高效的系統配置。此外，主流廠(chǎng)商也會(huì )針對LIN的性能推出改進(jìn)版本或技術(shù)，例如意法半導體的LINSCI。

        圖一　LIN總線(xiàn)應用領(lǐng)域

　　LIN主要用作CAN等高速總線(xiàn)的輔助網(wǎng)絡(luò )或子網(wǎng)絡(luò )，能為不需要用到CAN的裝置提供較為完善的網(wǎng)絡(luò )功能，包括空調控制（Climate Control）、后視鏡（Mirrors）、車(chē)門(mén)模塊（Door Modules）、座椅控制（Seats）、智能性交換器（Smart Switches）、低成本傳感器（Low-cost Sensors）等。在帶寬要求不高、功能簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性要求低的場(chǎng)合，如車(chē)身電器的控制等方面，使用LIN總線(xiàn)可有效的簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)束、降低成本、提高網(wǎng)絡(luò )通訊效率和可靠性。

　　LIN網(wǎng)絡(luò )架構

　　如上文所述，LIN網(wǎng)絡(luò )基于主從節點(diǎn)構架而形成網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。主節點(diǎn)需要向從節點(diǎn)發(fā)出周期性的檢測信號，檢測結果由從節點(diǎn)反饋給主控制器。其中周期根據事件檢測的實(shí)時(shí)性要求而設定。

　　如圖二所示，LIN的信號由一個(gè)由主任務(wù)提供的標頭（Header）和由從任務(wù)處理的響應部分（Response）構成。標頭包含一個(gè)13位的同步間隔字段（Synch Break Field）、一個(gè)由主任務(wù)產(chǎn)生的同步字段（Synch Field），以及一個(gè)辨識字段（Identifier Field）。其中每一個(gè)字節字段都以串行位元組方式發(fā)送，起始位的第一位為“0”，而終止位為“1”。由主任務(wù)執行的信號標頭會(huì )依整個(gè)LIN叢集的進(jìn)度表決定每個(gè)信號的傳輸時(shí)間，以確保數據傳輸的確定性及避 免網(wǎng)絡(luò )超載的危險。在LIN網(wǎng)絡(luò )中只有主節點(diǎn)采用晶體振蕩器來(lái)為系統提供精確的基本時(shí)鐘，此時(shí)鐘會(huì )嵌入上述的同步字段中，讓從任務(wù)能與主節點(diǎn)時(shí)序同步。LIN信號的響應部分包含一個(gè)數據域位（Data Filed），長(cháng)度為2 / 4 / 8個(gè)字節，和一個(gè)長(cháng)度為一個(gè)字節的驗證字段（Checksum Field）。

        圖二　LIN信號結構示意圖

　　LINSCI

　　LINSCI可以集成在8位MCU中，可實(shí)現標頭偵測（Header Detection）、指示器（Identifier）和非相關(guān)字節過(guò)濾（Irrelevant Byte Filtering）、延伸性錯誤偵測（Extended Error Detection）和再同步化（Resynchronisation）等功能。其作用是使從設備的LIN總線(xiàn)功能更有效地發(fā)揮。

　　LINSCI也可以實(shí)現更高的精度。LIN總線(xiàn)的波特率（Baud Rate）預定標器（Prescaler）一般為8位整型值，分辨率有限，使得很難達成標準SCI位時(shí)間取樣原則所需要的誤差率為2%的準確性。LIN總線(xiàn)波特率一般為10kbps和20kbps，如果按20kbps計算，假設CPU頻率為8MHz，由于LIN的頻率寬容度為15%，量化錯誤將達到2.33%。LINSCI的預定標器則以12位無(wú)符號（Unsigned）定點(diǎn)值（即LDIV）代替8位整型值，量化誤差則可下降到0.15%。

        圖三　LINSCI數據結構圖

　　實(shí)現LIN系統的最優(yōu)化包含許多方面因素。雖然以標準SCI所建立的LIN網(wǎng)絡(luò )已具備極佳性能，但LIN數據傳輸所需要的頻寬和CPU負荷，應用上所需的頻率準確性，以及LIN界面的穩定和有效性等都是應該考慮的因素。此外，硬件技術(shù)上的強化也十分必要。

　　ST的LINSCI即可通過(guò)這些手段實(shí)現更高的效率和更低的成本。首先，經(jīng)過(guò)強化的硬件SCI端口減少了CPU負載，相應提高了系統效能。低成本主要由高集成度獲得，其內部集成了1MHz震蕩器、帶有運算放大器的快速10位ADC，以及帶有低電壓檢測器的可配置重啟電路，簡(jiǎn)化了外部電路和系統設計，降低了制造成本。同時(shí)，8KB的擴展內存能在單一供給電壓下操作，除了提供更快速的編程能力，還降低了電路板的復雜程度。

　　汽車(chē)門(mén)控系統架構實(shí)例

　　以汽車(chē)門(mén)控系統舉例。如圖四所示，目前中高檔車(chē)型的門(mén)控系統主要包括車(chē)門(mén)鎖（Lock）、防盜門(mén)鎖（Dead Lock Latch）、動(dòng)力車(chē)窗（Power Window）、踏腳燈（Footstep light），及切換面板照明（Switch Panel Illumination）等。其主節點(diǎn)為一個(gè)與車(chē)體CAN網(wǎng)絡(luò )相連的中央車(chē)體控制單元（Central Body ECU），每個(gè)車(chē)門(mén)都有一個(gè)車(chē)門(mén)模塊，即按四門(mén)的車(chē)身則為DM-Driver（司機位置）、DM-Passenger（副駕駛位置）、DM-RearRight（右后門(mén)）和DM-RearLeft（左后門(mén)）提供門(mén)鎖和動(dòng)力車(chē)窗等功能；另外兩個(gè)前門(mén)還有MMR和MML左右后視鏡控制模塊。駕駛端的中央切換面板（Central Switch Panel）是一個(gè)獨立的從節點(diǎn)，控制所有的動(dòng)力車(chē)窗、手動(dòng)門(mén)鎖及后視鏡等功能。

        圖四　LIN網(wǎng)絡(luò )門(mén)控系統示意圖

　　汽車(chē)門(mén)控系統的應用場(chǎng)景對LIN網(wǎng)絡(luò )提出了以下需求：當主控器收到從遙控鑰匙發(fā)出的有效信號時(shí)，必須要啟動(dòng)門(mén)控系統，從節點(diǎn)通常通過(guò)CAN總線(xiàn)接收；當正確的鑰匙打開(kāi)前門(mén)時(shí)，也同時(shí)啟動(dòng)門(mén)控系統；從節點(diǎn)會(huì )直接反應而不需經(jīng)由與主控器的通訊；切換面板的詢(xún)問(wèn)動(dòng)作（Polling）功能，以確保響應對各個(gè)驅動(dòng)裝置控制，如動(dòng)力車(chē)窗、后視鏡調整、門(mén)鎖等的主動(dòng)式切換；對所有從節點(diǎn)的詢(xún)問(wèn)功能，以得到車(chē)窗升降的位置狀態(tài)，以及車(chē)門(mén)的開(kāi)關(guān)情況；以及系統對所有從節點(diǎn)的睡眠模式控制（即電池供應操作模式）等。因此門(mén)控系統的MCU也需要與上述功能相符，例如必須針對車(chē)窗的升降提供防夾（Anti-Pinch）功能、馬達的PWM控制及車(chē)窗位置監控；能以SPI接口來(lái)控制門(mén)鎖馬達；對于車(chē)鑰匙的拔出及開(kāi)門(mén)的動(dòng)作，能夠提供電源供應模式的接觸式監控，以及對后視鏡及切換面板的操控功能等。

          圖五　門(mén)控模塊功能架構圖

　　 對上述功能的參數設置上，也有一些需要考慮的因素，例如時(shí)序的準確性和動(dòng)作的實(shí)時(shí)性等。以手動(dòng)打開(kāi)汽車(chē)門(mén)鎖的動(dòng)作為例，從鑰匙插入門(mén)鎖到打開(kāi)，需要快速的響應，可接受的延遲必須小于200ms。而在此期間，傳動(dòng)馬達大約需要100ms打開(kāi)門(mén)鎖，因此留給MCU來(lái)完成從低功率模式啟動(dòng)、偵測到鑰匙，并觸發(fā)傳動(dòng)裝置等動(dòng)作的所有時(shí)間只有100ms。LIN總線(xiàn)波特率一般為10kbps或20kbps，如果按最快的20kbps計算，為保證數據傳輸的成功，則CPU的響應時(shí)間必須小于1ms。此外，針對系統 的安全性（如防夾）和便利性（如門(mén)鎖偵測）等功能，都會(huì )有實(shí)時(shí)性的要求。

　　時(shí)序的準確性是為了實(shí)現正確的運作和流程。車(chē)門(mén)模塊需要一個(gè)寬容度小于3%的時(shí)間參考，車(chē)窗防夾（Anti-Pinch）功能的復雜算法就需要這種準確性。

　　功耗與節能是對于多數ECU來(lái)說(shuō)是十分關(guān)鍵的因素。以門(mén)控系統來(lái)說(shuō)，系統在車(chē)輛熄火以后仍需進(jìn)行間隔性的監控詢(xún)問(wèn)動(dòng)作，會(huì )造成電力的持續消耗。而監控的延遲間隔設定很難取舍，因為時(shí)間間隔太長(cháng)，則會(huì )造成反應延遲；太短的話(huà)，又會(huì )增加系統的功耗。

　　故障安全設計

　　故障和安全也是系統設計的重點(diǎn)，例如短路時(shí)總線(xiàn)線(xiàn)路的故障安全（Fail-Safe）機制。因為L(cháng)IN總線(xiàn)與車(chē)體CAN總線(xiàn)系統相比，不具有容錯性能（Fault Tolerant），因此每個(gè)節點(diǎn)必須有能力分辨出短路的總線(xiàn)線(xiàn)路，同時(shí)反應動(dòng)作必須遵循特定的程序。

　　L9638是ST推出的LIN收發(fā)器，可提供額外的安全故障功能，可有效處理短路等故障。當MCU發(fā)現短路的LIN總線(xiàn)線(xiàn)路，ECU可自關(guān)閉；而收發(fā)器在消除短路狀況后仍能夠重新啟動(dòng)。

　　結論

　　通過(guò)靈活的配置，LIN可在多種應用中發(fā)揮全面的性能。例如將LIN協(xié)議以硬件方式建置（LINSCI）可以增加系統的可靠性和簡(jiǎn)化LIN的驅動(dòng)程序碼。MCU的設計也是一大關(guān)鍵。以ST72F361為例，它在標準MCU上提供先進(jìn)的SCI接口，并支持LIN的功能，除了能降低CPU的負荷外，也能省卻較高成本的精準時(shí)序資源。

　　LIN總線(xiàn)屬于低速率傳輸標準，不具備CAN總線(xiàn)的性能，主要定位于CAN的關(guān)鍵性應用以外的場(chǎng)景中（高速、高效率、高容錯性能等）。設計車(chē)輛電子系統時(shí)，需要根據具體的需求和技術(shù)要求合理選用適合的技術(shù)標準，才能讓LIN和CAN發(fā)揮自己特有的優(yōu)勢，并節省成本。LIN總線(xiàn)以其低成本及高可靠性贏(yíng)得了獨特的市場(chǎng)空間，預計在歐洲新出廠(chǎng)的車(chē)輛中，LIN總線(xiàn)的應用將占有相當大的比重。