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LIN总线:用于车体控制应用的新兴标准

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本地互连网络(LIN)是一种用于汽车中分布电子系统的新型低成本串行通讯系统,它是现有汽车多重传输网络的补充。LIN瞄准一些低端应用,在这些应用中每个节点的通讯成本都必须大大低于CAN而且不需要CAN的高性能、高带宽和多功能。LIN相对于CAN的成本节省主要是由于采用单线传输、硅片中硬件或软件的低实现成本和无需在从属节点中使用石英或陶瓷谐振器。



LIN是关于汽车本地互连网络的一个总体通讯概念。该规范包含协议的定义、物理层以及用于开发工具和应用软件的接口定义。对于不需要控制器局域网络(CAN)的高带宽和多种功能的应用,LIN实现了一种具有成本效益的智能传感器和执行器的通讯方式。这种通讯是基于串行通讯接口(SCI)、数据格式、单宿主/多从概念、单线12V总线和没有稳定时间基的节点的时钟同步。低端多路通讯的汽车标准不久前才出现。LIN协会开发了一个串行低成本通讯概念和开发环境的标准,采用这个标准,汽车制造商及其供应商能以非常经济的方式创建、实现和处理复杂的分层化多路复用系统。



LIN规范包含传输协议、传输介质以及用于开发工具和应用软件的接口。LIN在硬件和软件方面支持网络节点的互操作性并具有可预测的电磁兼容(EMC)行为。这个概念可以实现无缝的开发和设计工具链并提高了开发速度和网络的可靠性。



LIN瞄准一些低端应用,在这些应用中每个节点的通讯成本都必须大大低于CAN而且不需要CAN的高性能、高带宽和多功能。LIN相对于CAN的成本节省主要是由于采用单线传输、硅片中硬件或软件的低实现成本和无需在从属节点中使用石英或陶瓷谐振器。这些优点是以较低的带宽和受局限的单宿主总线访问方法为代价的。





典型应用



在一个中央式车体控制系统中,执行机构和传感器依靠CAN的连接能力使用硬连线与一个电子控制单元(ECU)相连接。ECU通过CAN通讯线路同其它主要ECU交换信号。如果本地执行器和传感器要求高计算性能则应选择硬连线。在本地性能要求不高的系统中,可以用基于智能执行器和传感器的分布系统来代替。选择这种划分方式是为了采用通用元件来实现可伸缩的系统架构。



如果用于本地智能和联网的附加成本可以通过生产和开发的成本节省得到补偿,这个架构是经济实用的。这个架构得以实施的关键是子总线LIN标准、低成本的机电装配和半导体集成。



LIN总线典型的应用是诸如车门、导向轮、座位、马达、气候控制、照明、雨水传感器、智能擦抹器、智能发电机、开关板或RF接收器等构件。我们可以很容易地把这些构件连接到汽车网络并接入各种类型的诊断和服务。通常使用的信号模拟编码可以用数字信号替换从而使线束得以优化。



LIN是一种基于通用SCI(UART)字节字接口的单线串行通讯协议。目前几乎所有微控制器都配有低成本的UART接口模块。LIN也可以使用软件代码或纯状态机来实现。在LIN中,媒体访问由宿主节点控制而不需要从属节点的仲裁或冲突管理,因而可以使最坏情况下的信号传输延迟时间得到保证。



同步机制是LIN的一个特殊特性,它允许通过从属节点恢复时钟而不需要石英或陶瓷谐振器。线驱动器和接收器的规范遵循有所增强的ISO 9141单线标准。最大传输速度为20kbps,这是根据EMC和时钟同步要求而定。



除了宿主节点的命名之外,LIN网络中的节点不使用有关系统设置的任何信息。我们可以在不要求其它从属节点改变硬件和软件的情况下向LIN 中增加节点。由于识别码数量较少(64)和传输速度相对较低,LIN的规模通常在12个节点之下(尽管并不局限于此)。时钟同步、简单的UART通讯和单线介质是保证LIN经济性的主要因素。





通讯概念



LIN包含一个宿主节点和一个或多个从属节点。所有节点都包含一个被分解为发送和接收任务的从属通讯任务,而宿主节点还包含一个附加的宿主发送任务。在实时LIN中,通讯总是由宿主任务发起的。



宿主节点发送一个包含同步中断、同步字节和消息识别码的消息报头。从属任务在收到和过滤识别码后被激活并开始消息响应的传输。响应包含两个、四个或八个数据字节和一个检查和(checksum)字节。报头和响应部分组成一个消息帧。



消息的识别码指明了消息的内容而不是目的地。这个通讯概念使我们能以多种方式实现数据交换:从宿主节点(使用其从属任务)到一个或多个从属节点,从从属节点到宿主节点和/或其它从属节点。直接从从属节点到从属节点发送信号而无须通过宿主节点路由或从宿主节点向网络的所有节点广播消息也是可能的。消息帧的序列由宿主节点控制。在宿主节点调度帧中,消息的数目、序列和频率由波特率、系统响应时间和时间行为来决定。在系统设计过程中,必须周密考虑各种情况,因为如果宿主节点丢失了一个从属节点消息,由于主从概念,这个消息将只能最早在下一个调度序列到达宿主节点。



LIN协议在每一个消息帧启动时提供一个专用的同步模式,允许不带有石英或陶瓷谐振器的从属节点将其本地时间基与宿主节点的时间基同步。



LIN物理层



LIN总线是单线,通过从电池正极Vbat的端接电阻向导线或总线供电。总线收发器是ISO 9141标准的一个增强实现。该总线可以采用两个互补的逻辑电平:接近于地的电压显性值(dominant value)表示逻辑“0”,电压接近于电池供电电压的隐性值(recessive value)表示逻辑“1”。



该总线的端接部分使用1k(在宿主节点)和30k(在从属节点)的上拉电阻。从属节点的端接电容通常为220pF。



LIN物理层规范对收发器提出了很高的要求。收发器的开关必须不干扰其它电子元件。要满足汽车制造商的EMC要求,必须采取一些特殊的措施,例如,可以使用波形整形或边缘修整技术来减少收发器的辐射。



LIN总线系统实例:车门和镜子



汽车车门电子功能的不断增加使之成为一个使用LIN总线的很好应用实例。在保持相同设计和对其余从属节点硬件和软件没有任何影响的情况下,功能可以随意增减。随着开发过程中和汽车LIN组装的最后阶段功能或选项的增长。它可实现



预组装和预测试模块的集成。车门LIN簇中的功能有:带/不带防夹的车窗升起;马达PWM控制;车窗位置监控;门锁执行器控制,包括马达控制(死锁)和门开接触控制;开关面板控制和开关照明。



镜子功能可被集成到一个或更多个LIN从属节点上。这些功能包括:镜子上下、进出马达控制;加热;水坑灯;转向灯;减少刺眼现象(电镀彩色镜,ECM)等。



带CAN接口和USART/增强USART的高性能8位控制器应能满足宿主节点的需求。存储器需求和封装尺寸要求取决于软件功能、CAN软件堆栈和硬件I/O需求。在这个例子中,从属节点功能可由低性能8位控制器实现。



从属节点的实现



根据LIN从属节点应用的复杂性和从微控制器的预算,LIN可用软件方式实现,也可以使用标准的USART、EUSART或专用的LIN硬件来实现。



用纯软件来实现开关板、温度传感器和LED显示器等低复杂性的系统。这种最低成本方案的实现是以相对较高的CPU负载为代价。包含一个片上RC振荡器和物理收发器接口的PIC16C433是微控制器方案的一个例子,它提供了一个高度集成的低成本LIN方案。



LIN协议的关键特性之一是使用低成本振荡器的从属节点的同步能力。LIN规范容许从属节点的不同步时钟偏差为15%。如果时钟偏差超过15%,宿主节点将发送一个数值为零的数据字节,这个字节将会被从属节点识别为同步中断(Sync Break)。为实现正确通讯,从属节点必须有能力重新同步并在LIN帧的时间内保持稳定(同步偏差低于2%)。



这个要求可以使用半导体制造商在微处理器上实现的可校准的内部RC振荡器来满足。内部振荡器依据温度和电压变化调整振荡频率。



LIN标准包含传输协议、传输介质、开发工具之间的接口和用于软件编程的接口。LIN在硬件和软件方面保证网络节点的互操作性和EMC行为的可预测性。



LIN总线以较低的成本满足了车体控制应用的要求并有助于执行器和传感器设计的标准化和复用性。使用LIN总线规范2.0,支持即插即用已成为可能。



LIN标准已经被许多汽车制造商采纳。目前,汽车制造商已经在使用LIN总线系统进行系列化生产。工具制造商、半导体供应商和第三方软件供应商已经提供了大量的工具、硬件和软件。通过定义良好的开发过程和元件一致性测试可以达到所要求的高质量和互操作性

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