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LIN匯流排:一種用於車體控制應用的新興標準

上網時間: 2004年09月19日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:LIN  本地網際網路  body control  車體控制  EMC 

本地互連網路(LIN)是一種用於汽車中分散式電子系統的新型低成本串列通訊系統,它是現有汽車多重傳輸網路的補充。LIN瞄準一些低階應用,在這些應用中每個節點的通訊成本都必須大幅低於CAN而且不需要CAN的高性能、高頻寬和多功能。LIN相對於CAN的成本節省主要是由於採用單線傳輸、矽晶片中硬體或軟體的低實現成本和無需在從屬節點中使用石英或陶瓷諧振器。

LIN是關於汽車本地互連網路的一個總體通訊概念。該規格包含協議的定義、實體層以及用於開發工具和應用軟體的介面定義。對於不需要控制器區域網路(CAN)的高頻寬和多種功能的應用,LIN實現了一種具有成本效益的智慧感測器和執行器的通訊方式。這種通訊是基於串列通訊介面(SCI)、數據格式、單主機/多從概念、單線12V匯流排和沒有穩定時間基的節點的時脈同步。低階多工通訊的汽車標準不久前才出現。LIN協會開發了一個串列低成本通訊概念和開發環境的標準,採用這個標準,汽車製造商及其供應商能以非常經濟的方式製作、實現和處理複雜的分層化多工系統。

LIN規格包含傳輸協定、傳輸介質以及用於開發工具和應用軟體的介面。LIN在硬體和軟體方面支援網路節點的互通作業性並具有可預測的電磁相容(EMC)行為。這個概念可以實現無縫的開發和設計工具鏈並提高了開發速度和網路的可靠性。

LIN瞄準一些低階應用,在這些應用中每個節點的通訊成本都必須大幅低於CAN而且不需要CAN的高性能、高頻寬和多功能。LIN相對於CAN的成本節省主要是由於採用單線傳輸、矽晶片中硬體或軟體的低實現成本和無需在從屬節點中使用石英或陶瓷諧振器。這些優點是以較低的頻寬和受侷限的單主機匯流排存取方法為代價的。

典型應用

在一個中央式車體控制系統中,執行機構和感測器依靠CAN的連接能力使用硬連線與一個電子控制單元(ECU)相連接。ECU透過CAN通訊線路同其它主要ECU交換訊號。如果本地執行器和感測器要求高運算性能則應選擇硬連線。在本地性能要求不高的系統中,可以用基於智慧執行器和感測器的分散系統來代替。選擇這種劃分方式是為了採用通用元件來實現可擴充的系統架構。

如果用於本地智慧和網路的附加成本可以透過生產和開發的成本節省得到補償,這個架構是經濟實用的。這個架構得以實施的關鍵是子匯流排LIN標準、低成本的機電裝配和半導體整合。

LIN匯流排典型的應用是諸如車門、導向輪、座位、馬達、氣候控制、照明、雨水感測器、智慧擦抹器、智慧發電機、開關板或RF接收器等零件。我們可以很容易地把這些零件連接到汽車網路並接取各種類型的診斷和服務。通常使用的訊號類比編碼可以用數位訊號替換因而使線束得以最佳化。

LIN是一種基於通用SCI(UART)位元組字介面的單線串列通訊協定。目前幾乎所有微控制器都配有低成本的UART介面模組。LIN也可以使用軟體程式碼或純狀態機來實現。在LIN中,媒體存取由主機節點控制而不需要從屬節點的仲裁或衝突管理,因而可以使最壞情況下的訊號傳輸延遲時間得到保證。

同步機制是LIN的一個特殊特性,它允許透過從屬節點恢復時脈而不需要石英或陶瓷諧振器。線驅動器和接收器的規格遵循有所增強的ISO 9141單線標準。最大傳輸速度為20kbps,這是根據EMC和時脈同步要求而定。

除了主機節點的命名之外,LIN網路中的節點不使用有關係統設置的任何資訊。我們可以在不要求其它從屬節點改變硬體和軟體的情況下向LIN中增加節點。由於識別碼數量較少(64)和傳輸速度相對較低,LIN的規模通常在12個節點之下(儘管並不侷限於此)。時脈同步、簡單的UART通訊和單線介質是保證LIN經濟性的主要因素。

通訊概念

LIN包含一個主機節點和一個或多個從屬節點。所有節點都包含一個被分解為發送和接收任務的從屬通訊任務,而主機節點還包含一個附加的主機發送任務。在即時LIN中,通訊總是由主機任務發起的。

主機節點發送一個包含同步中斷、同步位元組和消息識別碼的消息報頭。從屬任務在收到和過濾識別碼後被啟動並開始消息響應的傳輸。響應包含兩個、四個或八個數據位元組和一個檢查和(checksum)位元組。報頭和響應部份組成一個消息訊框。

消息的識別碼指明了消息的內容而不是目的地。這個通訊概念使我們能以多種方式實現數據交換:從主機節點(使用其從屬任務)到一個或多個從屬節點,從從屬節點到主機節點和/或其它從屬節點。直接從從屬節點到從屬節點發送訊號而無須透過主機節點路由或從主機節點向網路的所有節點廣播消息也是可能的。消息訊框的序列由主機節點控制。在主機節點調度訊框中,消息的數目、序列和頻率由波特率、系統響應時間和時間行為來決定。在系統設計過程中,必須周密考慮各種情況,因為如果主機節點丟失了一個從屬節點消息,由於主從概念,這個消息將只能最早在下一個調度序列到達主機節點。

LIN協議在每一個消息訊框啟動時提供一個專用的同步模式,允許不具有石英或陶瓷諧振器的從屬節點將其本地時間基與主機節點的時間基同步。

LIN實體層

LIN匯流排是單線,透過從電池正極Vbat的端接電阻向導線或匯流排供電。匯流排收發器是ISO 9141標準的一個增強實現。該匯流排可以採用兩個互補的邏輯電平:接近於地的電壓顯性值(dominant value)表示邏輯‘0’,電壓接近於電池供電電壓的隱性值(recessive value)表示邏輯‘1’。

該匯流排的端接部份使用1k(在主機節點)和30k(在從屬節點)的上拉電阻。從屬節點的端接電容器通常為220pF。

LIN實體層規格對收發器提出了很高的要求。收發器的開關必須不干擾其它電子元件。要滿足汽車製造商的EMC要求,必須採取一些特殊的措施,例如,可以使用波形整形或邊緣修整技術來減少收發器的輻射。

LIN匯流排系統實例:車門和鏡子

汽車車門電子功能的不斷增加使之成為一個使用LIN匯流排的很好應用實例。在保持相同設計和對其餘從屬節點硬體和軟體沒有任何影響的情況下,功能可以隨意增減。隨著開發過程中和汽車LIN組裝的最後階段功能或選項的成長。它可實現

預組裝和預測試模組的整合。車門LIN叢集中的功能有:帶/不帶防夾的車窗升起;馬達PWM控制;車窗位置監控;門鎖執行器控制,包括馬達控制(死鎖)和門開接觸控制;開關面板控制和開關照明。

鏡子功能可被整合在一個或更多個LIN從屬節點上。這些功能包括:鏡子上下、進出馬達控制;加熱;水坑燈;轉向燈;減少刺眼現象(電鍍彩色鏡,ECM)等。

帶CAN介面和USART/增強USART的高性能8位元控制器應能滿足主機節點的需求。記憶體需求和封裝尺寸要求取決於軟體功能、CAN軟體堆疊和硬體I/O需求。在這個例子中,從屬節點功能可由低性能8位元控制器實現。

從屬節點的實現

根據LIN從屬節點應用的複雜性和從微控制器的預算,LIN可用軟體方式實現,也可以使用標準的USART、EUSART或專用的LIN硬體來實現。

用純軟體來實現開關板、溫度感測器和LED顯示器等低複雜性的系統。這種最低成本方案的實現是以相對較高的CPU負載為代價。包含一個片上RC振盪器和實體收發器介面的PIC16C433是微控制器方案的一個例子,它提供了一個高度整合的低成本LIN方案。

LIN協議的關鍵特性之一是使用低成本振盪器的從屬節點的同步能力。LIN規格容許從屬節點的不同步時脈偏差為15%。如果時脈偏差超過15%,主機節點將發送一個數值為零的數據位元組,這個位元組將會被從屬節點識別為同步中斷(Sync Break)。為實現正確通訊,從屬節點必須有能力重新同步並在LIN訊框的時間內保持穩定(同步偏差低於2%)。

這個要求可以使用半導體製造商在微處理器上實現的可校準的內部RC振盪器來滿足。內部振盪器依據溫度和電壓變化調整振盪頻率。

LIN標準包含傳輸協定、傳輸介質、開發工具之間的介面和用於軟體編程的介面。LIN在硬體和軟體方面保證網路節點的互通作業性和EMC行為的可預測性。

LIN匯流排以較低的成本滿足了車體控制應用的要求並有助於執行器和感測器設計標準化和再使用性。使用LIN匯流排規格2.0,支援即插即用已成為可能。

LIN標準已經被許多汽車製造商採納。目前,汽車製造商已經在使用LIN匯流排系統進行系列化生產。工具製造商、半導體供應商和第三方軟體供應商已經提供了大量的工具、硬體和軟體。透過定義良好的開發過程和元件一致性測試可以達到所要求的高品質和互通作業性。

作者:Johann Stelzer


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